Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Электрондық құрылғыда жүзеке ағын физикалық процестерді модельдеу. Транзисторлар – күрделі мінез-құлқы бар қарапайым құрылғылар. Транзисторларды қолданатын тізбектердің сенімді жұмыс істеуін қамтамасыз ету үшін, олардың жұмыс істеу кезінде байқалатын физикалық құбылыстарды транзистор моделі арқылы ғылыми тұрғыдан модельдеу қажет. Күрделілігі және мақсаты бойынша әртүрлі модельдер бар. Транзистор моделі екі негізгі топқа бөлінеді: құрылғыны жобалауға арналған модельдер және тізбектерді жобалауға арналған модельдер.
Simulation of physical processes taking place in an electronic device
Transistors are simple devices with complicated behavior. In order to ensure the reliable operation of circuits employing transistors, it is necessary to scientifically model the physical phenomena observed in their operation using transistor models. There exists a variety of different models that range in complexity and in purpose. Transistor models divide into two major groups: models for device design and models for circuit design.
Құрылғыны жобалау үлгілері
Қазіргі транзистордың күрделі физикалық механизмдерді пайдаланатын ішкі құрылымы бар. Құрылғыны жобалау үшін иондық имплантация, қоспалардың диффузиясы, оксидтің өсуі, оттеу және кесу сияқты құрылғыны өндіру процестерінің құрылғының мінез-құлқына қалай әсер ететінін егжей-тегжейлі түсіну қажет. Процесс модельдері өндіріс қадамдарын симуляциялайды және құрылғы симуляторына құрылғының "геометриясының" микроскопиялық сипаттамасын береді. "Геометрия" дегеніміз - жазық немесе қақпаның айналасына оралу құрылымы, немесе бастапқы және ағынның көтерілген немесе ойылған түрлері сияқты тез анықталатын геометриялық ерекшеліктерді білдірмейді (жад құрылғысы үшін кейбір ерекше модельдеу қиындықтары бар, мысалы, жүзуші қақпаны қар көшкіні арқылы зарядтау – 1-суретті қараңыз). Ол сондай-ақ құрылғыны өңдеу аяқталғаннан кейін допингтік профильдер сияқты құрылымның ішкі ерекшеліктеріне қатысты. Құрылғының қалай көрінетіні туралы осы ақпаратпен құрылғы симуляторы құрылғыда орын алатын физикалық процестерді әр түрлі жағдайларда оның электрлік мінез-құлқын анықтау үшін модельдейді: ток-кернеу мінез-құлқы, уақытша мінез-құлқы (жоғары және төмен сигналдар), құрылғы орналасуына тәуелділік (ұзын және тар, қысқа және кең, немесе өзара тікелей орналасқан, тікбұрышты, немесе басқа құрылғыларға жақын орналасқан). Бұл симуляциялар құрылғыны жобалаушыға құрылғы процесі схеманы жобалаушыға қажетті электрлік мінез-құлықпен құрылғыларды шығаратынын көрсетеді және процесс жобалаушыны қажетті процесс жақсартулары туралы хабардар етеді. Процесс өндіріске жақындағанда, болжамды құрылғы сипаттамалары процесс пен құрылғы модельдерінің дұрыс жұмыс істеп тұрғанын тексеру үшін сынақ құрылғыларындағы өлшемдермен салыстырылады. Бұрын модельделген құрылғы мінез-құлқы өте қарапайым болған, негізінен жай геометриядағы диффузия және дрейф болса, бүгін микроскопиялық деңгейде көптеген процестерді модельдеу қажет; мысалы, түйісулер мен оксидтердегі ағымдар, жылдамдық қанықтыру және баллистикалық тасымалдау сияқты тасымалдаушылардың күрделі тасымалы, кванттық механикалық әсерлер, бірнеше материалдарды пайдалану (мысалы, Si SiGe құрылғылары және әртүрлі диэлектриктердің қабаттары) және тіпті иондардың орналасуы мен құрылғы ішіндегі тасымалдаушының ықтималдық сипатынан туындаған статистикалық әсерлер. Технология жыл бойы бірнеше рет өзгереді және симуляцияларды қайталау қажет. Модельдер жаңа физикалық әсерлерді көрсету үшін немесе үлкен дәлдікке қол жеткізу үшін өзгерістерді қажет етуі мүмкін. Бұл модельдерді күтіп ұстау және жақсарту – жеке бизнес саласы. Бұл модельдер өте компьютерлік жүйелерді қажет етеді, құрылғы ішіндегі үш өлшемді торлардағы байланысты дифференциалдық теңдеулердің егжей-тегжейлі кеңістіктік және уақыттық шешімдерін қамтиды. Мұндай модельдердің жұмыс істеуі баяу болады және схеманы жобалау үшін қажет емес егжей-тегжейлі ақпарат береді. Сондықтан схеманы жобалау үшін схема параметрлеріне бағытталған жылдам транзистор модельдері қолданылады.
The modern transistor has an internal structure that exploits complex physical mechanisms. Device design requires a detailed understanding of how device manufacturing processes such as ion implantation, impurity diffusion, oxide growth, annealing, and etching affect device behavior. Process models simulate the manufacturing steps and provide a microscopic description of device "geometry" to the device simulator. "Geometry" does not mean readily identified geometrical features such as a planar or wrap around gate structure, or raised or recessed forms of source and drain (see Figure 1 for a memory device with some unusual modeling challenges related to charging the floating gate by an avalanche process). It also refers to details inside the structure, such as the doping profiles after completion of device processing. With this information about what the device looks like, the device simulator models the physical processes taking place in the device to determine its electrical behavior in a variety of circumstances: DC current–voltage behavior, transient behavior (both large signal and small signal), dependence on device layout (long and narrow versus short and wide, or interdigitated versus rectangular, or isolated versus proximate to other devices). These simulations tell the device designer whether the device process will produce devices with the electrical behavior needed by the circuit designer, and is used to inform the process designer about any necessary process improvements. Once the process gets close to manufacture, the predicted device characteristics are compared with measurement on test devices to check that the process and device models are working adequately. Although long ago the device behavior modeled in this way was very simple mainly drift plus diffusion in simple geometries today many more processes must be modeled at a microscopic level; for example, leakage currents in junctions and oxides, complex transport of carriers including velocity saturation and ballistic transport, quantum mechanical effects, use of multiple materials (for example, Si SiGe devices, and stacks of different dielectrics) and even the statistical effects due to the probabilistic nature of ion placement and carrier transport inside the device. Several times a year the technology changes and simulations have to be repeated. The models may require change to reflect new physical effects, or to provide greater accuracy. The maintenance and improvement of these models is a business in itself. These models are very computer intensive, involving detailed spatial and temporal solutions of coupled partial differential equations on three dimensional grids inside the device. Such models are slow to run and provide detail not needed for circuit design. Therefore, faster transistor models oriented toward circuit parameters are used for circuit design.
Сұлбаларды жобалау үлгілері
Транзистор модельдері қазіргі заманғы электрондық дизайн жұмысының басым бөлігінде қолданылады. SPICE сияқты аналогтық схемалық симуляторлар жобаның қалай жұмыс істейтінін болжау үшін модельдерді пайдаланады. Дизайн жұмысының көп бөлігі интегралдық схемаларды жасауға қатысты, олардың құралдарын жасау өте қымбатқа түседі, негізінен құрылғыларды жасау үшін қолданылатын фотомаскаларға байланысты, сондықтан дизайнды бірден, түзетулерсіз жұмыс істеуіне қол жеткізу үшін үлкен экономикалық мүдде бар. Толық және дәл модельдер дизайнның көп бөлігінің алғашқы ретте жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. Қазіргі заманғы схемалар көбінесе өте күрделі болады. Мұндай схемалардың өнімділігін, пайдаланылатын құрылғылардың модельдерін қоса алғанда, дәл компьютерлік модельдерсіз болжау қиын. Құрылғы модельдері транзистор орналасуының әсерін қамтиды: ені, ұзындығы, араласуы, басқа құрылғыларға жақындығы; уақытша және тұрақты ток-кернеу сипаттамалары; паразиттік құрылғының сыйымдылығы, кедергісі және индуктивтілігі; уақыт кешігуі; және температураның әсері – бұл тек бірнеше мысал ғана.
Transistor models are used for almost all modern electronic design work. Analog circuit simulators such as SPICE use models to predict the behavior of a design. Most design work is related to integrated circuit designs which have a very large tooling cost, primarily for the photomasks used to create the devices, and there is a large economic incentive to get the design working without any iterations. Complete and accurate models allow a large percentage of designs to work the first time. Modern circuits are usually very complex. The performance of such circuits is difficult to predict without accurate computer models, including but not limited to models of the devices used. The device models include effects of transistor layout: width, length, interdigitation, proximity to other devices; transient and DC current–voltage characteristics; parasitic device capacitance, resistance, and inductance; time delays; and temperature effects; to name a few items.
Физикалық модельдер
Бұл құрылғы физикасына негізделген модельдер, транзистор ішіндегі физикалық құбылыстарды жуықтап модельдеуге негізделген. Бұл модельдердегі параметрлер оксид қалыңдығы, подложканың допингтік концентрациясы, тасымалдаушылардың жылдамдығы және т.б. сияқты физикалық қасиеттерге сүйенеді. Бұрын осы модельдер кеңінен қолданылып келді, бірақ қазіргі заманғы құрылғылардың күрделілігі оларды нақты есептеулерге қолдануға жеткіліксіз етеді. Дегенмен, олар қолмен талдау кезінде (яғни, схеманы жобалаудың идеялық кезеңінде) пайдалы, мысалы, сигналдың өзгеру шектерін шамамен анықтау үшін.
These are models based upon device physics, based upon approximate modeling of physical phenomena within a transistor. Parameters within these models are based upon physical properties such as oxide thicknesses, substrate doping concentrations, carrier mobility, etc. In the past these models were used extensively, but the complexity of modern devices makes them inadequate for quantitative design. Nonetheless, they find a place in hand analysis (that is, at the conceptual stage of circuit design), for example, for simplified estimates of signal swing limitations.
Эмпирикалық модельдер
Бұл модель түрі толығымен қисық сызуға негізделген, транзистордың жұмысын симуляциялауға мүмкіндік беру үшін өлшенген деректерге ең жақсы сәйкес келетін функциялар мен параметрлердің мәндерін пайдаланады. Физикалық модельден өзгеше, эмпирикалық модельдегі параметрлердің қандай да бір негізгі мағынасы болуы міндетті емес, және олар оларды табу үшін қолданылған сәйкестендіру әдісіне байланысты болады. Егер олар бастапқыда модельдер сәйкестендірілген деректер диапазонынан тыс дизайнға экстраполяциялау үшін қолданылса, осы модельдердің сәтті болуы үшін сәйкестендіру әдісі маңызды рөл атқарады. Мұндай экстраполяция осы модельдердің мақсаты, бірақ әзірге толыққанды іске асырылмады.
This type of model is entirely based upon curve fitting, using whatever functions and parameter values most adequately fit measured data to enable simulation of transistor operation. Unlike a physical model, the parameters in an empirical model need have no fundamental basis, and will depend on the fitting procedure used to find them. The fitting procedure is key to success of these models if they are to be used to extrapolate to designs lying outside the range of data to which the models were originally fitted. Such extrapolation is a hope of such models, but is not fully realized so far.
Кіші сигналдың сызықтық модельдері
Кіші сигнал немесе сызықтық модельдер схемаларды жобалаудың бастапқы кезеңдерінде (компьютерлік модельдеу қажет болмас бұрын, баламалы идеяларды таңдау үшін) және компьютерлерді қолдана отырып, тұрақтылықты, күшейтуді, шуды және өткізу қабілетін бағалау үшін қолданылады. Кіші сигнал моделі ток-кернеу қисықтарының белгілі бір жұмыс нүктесі (Q нүктесі) бойынша туындыларын есептеу арқылы құрастырылады. Егер сигнал құрылғының сызықтық емес қасиеттеріне қарағанда шағын болса, онда туындылар көп өзгермейді және оларды стандартты сызықтық схема элементтері ретінде қарастыруға болады. Кіші сигнал модельдерінің бір артықшылығы – оларды тікелей шешуге болады, ал үлкен сигналдың сызықтық емес модельдері көбінесе итеративті әдіспен шешіледі, бұл жағдайда жуысу немесе тұрақтылық мәселелері туындауы мүмкін. Сызықтық модельге келу арқылы сызықтық теңдеулерді шешуге арналған барлық құралдар қолжетімді болады, мысалы, бірдей теңдеулер, детерминанттар және матрицалық теория (көбінесе сызықтық алгебра бөлігі ретінде оқытылады), әсіресе Крамер формуласы. Тағы бір артықшылығы – сызықтық модельмен ойлану оңайырақ және ойды ұйымдастыруға көмектеседі.
Small signal or linear models are used to evaluate stability, gain, noise and bandwidth, both in the conceptual stages of circuit design (to decide between alternative design ideas before computer simulation is warranted) and using computers. A small signal model is generated by taking derivatives of the current–voltage curves about a bias point or Q point. As long as the signal is small relative to the nonlinearity of the device, the derivatives do not vary significantly, and can be treated as standard linear circuit elements. An advantage of small signal models is they can be solved directly, while large signal nonlinear models are generally solved iteratively, with possible convergence or stability issues. By simplification to a linear model, the whole apparatus for solving linear equations becomes available, for example, simultaneous equations, determinants, and matrix theory (often studied as part of linear algebra), especially Cramer's rule. Another advantage is that a linear model is easier to think about, and helps to organize thought.