Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Жартылай өткізгіштің мінез-құлқын модельдеу Жартылай өткізгіш құрылғысын модельдеу негізгі физикаға негізделген электр құрылғыларының мінез-құлқына арналған модельдерді жасайды, мысалы, құрылғылардың допингтік профильдері. Сондай-ақ, бұл құрылғылардың электрлік мінез-құлқын түсіруге тырысатын, бірақ оларды негізге алатын физикадан шығаратын компактты модельдерді (мысалы, белгілі SPICE транзисторлық модельдер) құруды қамтиды. Әдетте ол жартылай өткізгіш процесінің симуляциясының шығысынан басталады.
Modeling semiconductor behavior
Semiconductor device modeling creates models for the behavior of the electrical devices based on fundamental physics, such as the doping profiles of the devices. It may also include the creation of compact models (such as the well known SPICE transistor models), which try to capture the electrical behavior of such devices but do not generally derive them from the underlying physics. Normally it starts from the output of a semiconductor process simulation.
Кіріспе
Оң жақтағы суретте үлкен суреттің қарапайым тұжырымдамалық көрінісі берілген. Бұл суретте инвертордың екі сатысы және контурдың кіріс-шығыс кернеуінің уақыт графигі көрсетілген. Цифрлық жүйелер тұрғысынан алғанда, қызығушылық тудыратын негізгі параметрлер: уақыт кешіктіру, қосқыш қуаты, ағынынан ағып кету және басқа блоктармен қиылысқан (қайшылық) байланыстар. Кернеу деңгейі мен ауысу жылдамдығы да алаңдатады. Суретте сондай-ақ Ионның Иофқа қарсы маңыздылығы схемалық түрде көрсетіледі, бұл өз кезегінде on құрылғысы үшін қозғалтқыш тогымен (және қозғалыс қабілетімен) және off құрылғылары үшін бірнеше ағып кету жолдарымен байланысты. Динамикалық өнімділікке әсер ететін "өзге және паразиттік" сыйымдылықтар кескінде нақты көрсетілмеген. Өндірістегі негізгі қозғаушы күш болып табылатын қуатты масштабтау суретте көрсетілген оңайлатылған теңдеуде көрініс табады. Құрылғының мінез-құлқын жүйелік өнімділікке байланыстыратын негізгі параметрлерге шекті кернеу, жетекші ток және шекті төменгі сипаттамалары кіреді. Бұл жүйелік өнімділік мәселелерінің негізгі технологиямен және құрылғы дизайны айнымалыларымен бірігуі, бұл біз қазір Мурдың заңы деп кодтайтын жалғасып жатқан масштабтау заңдарына әкеледі.
The figure to the right provides a simplified conceptual view of “the big picture.” This figure shows two inverter stages and the resulting input output voltage time plot of the circuit. From the digital systems point of view the key parameters of interest are: timing delays, switching power, leakage current and cross coupling (crosstalk) with other blocks. The voltage levels and transition speed are also of concern. The figure also shows schematically the importance of Ion versus Ioff, which in turn is related to drive current (and mobility) for the “on” device and several leakage paths for the “off” devices. Not shown explicitly in the figure are the capacitances—both intrinsic and parasitic—that affect dynamic performance. The power scaling which is now a major driving force in the industry is reflected in the simplified equation shown in the figure — critical parameters are capacitance, power supply and clocking frequency. Key parameters that relate device behavior to system performance include the threshold voltage, driving current and subthreshold characteristics. It is the confluence of system performance issues with the underlying technology and device design variables that results in the ongoing scaling laws that we now codify as Moore’s law.
Құрылғыны модельдеу
Интегралды схемаларда құрылғылардың физикасы мен модельдеуіне MOS және биполярлы транзистор модельдеуі басым. Алайда, басқа құрылғылар маңызды, мысалы, жад құрылғылары, олар модельдеудің басқаша талаптарына ие. Әрине, сенімділік инженериясының мәселелері де бар, мысалы, электростатикалық разрядтан (ЭСД) қорғау схемалары мен құрылғылары, онда субстрат пен паразиттік құрылғылар аса маңызды. Бұл эффекттер мен модельдеуді құрылғыларды модельдеу бағдарламаларының көпшілігі қарастырмайды; қызығушылық танытқан оқырман ESD және I / O модельдеу саласындағы бірнеше керемет монографияларға сілтеме жасалады.
The physics and modeling of devices in integrated circuits is dominated by MOS and bipolar transistor modeling. However, other devices are important, such as memory devices, that have rather different modeling requirements. There are of course also issues of reliability engineering—for example, electro static discharge (ESD) protection circuits and devices—where substrate and parasitic devices are of pivotal importance. These effects and modeling are not considered by most device modeling programs; the interested reader is referred to several excellent monographs in the area of ESD and I/O modeling.
Физикаға негізделген және компактты модельдер
Физикаға негізделген құрылғыларды модельдеу дәл болуды көздейді, бірақ ол жоғары деңгейдегі құралдарға, соның ішінде SPICE сияқты схемалық симуляторларға жеткілікті жылдам емес. Сондықтан, схемалық симуляторлар әдетте негізгі физиканы тікелей үлгілемейтін эмпирикалық модельдерді (көбінесе компактты модельдер деп аталады) пайдаланады. Мысалы, инверсиялық қабаттың жылжымалылығын модельдеу немесе жылжымалылықты модельдеу және оның физикалық параметрлерге, қоршаған ортаға және жұмыс жағдайларына тәуелділігі TCAD (технологиялы компьютерлік көмекпен жобалау) физикалық модельдері үшін де, контур деңгейіндегі компактты модельдер үшін де маңызды тақырып болып табылады. Алайда, ол бірінші принциптерден дәл үлгіленбейді, сондықтан тәжірибелік деректерге сәйкес келеді. Физикалық деңгейдегі мобильділікті модельдеу үшін электрлік айнымалылар әр түрлі шашырау механизмдері, тасымалдаушы тығыздықтары және жергілікті потенциалдар мен өрістер, оның ішінде олардың технологиясы мен қоршаған ортаға тәуелділігі. Керісінше, схема деңгейінде модельдер әсерлерді терминал кернеулері мен эмпирикалық шашырау параметрлері бойынша параметрлейді. Екі бейнелеуді салыстыруға болады, бірақ көптеген жағдайларда эксперименттік деректерді микроскопиялық мінез-құлық тұрғысынан қалай түсіндіру керектігі түсініксіз.
Physics driven device modeling is intended to be accurate, but it is not fast enough for higher level tools, including circuit simulators such as SPICE. Therefore, circuit simulators normally use more empirical models (often called compact models) that do not directly model the underlying physics. For example, inversion layer mobility modeling, or the modeling of mobility and its dependence on physical parameters, ambient and operating conditions is an important topic both for TCAD (technology computer aided design) physical models and for circuit level compact models. However, it is not accurately modeled from first principles, and so resort is taken to fitting experimental data. For mobility modeling at the physical level the electrical variables are the various scattering mechanisms, carrier densities, and local potentials and fields, including their technology and ambient dependencies. By contrast, at the circuit level, models parameterize the effects in terms of terminal voltages and empirical scattering parameters. The two representations can be compared, but it is unclear in many cases how the experimental data is to be interpreted in terms of more microscopic behavior.
Тарих
Технологияның дамуы компьютерлік көмекпен жобалау (TCAD) процесс, құрылғы және схема симуляциясы мен модельдеу құралдарының синергетикалық үйлесімі өзінің тамырын биполярлық технологиядан табады, ол 1960 жылдардың соңында басталды және тұйықталған оқшауланған, қос және үш рет таралған транзисторлардың қиындықтары. Бұл құрылғылар мен технологиялар алғашқы интегралдық схемалардың негізі болды; дегенмен, масштабтау мәселелері мен физикалық әсерлердің көбі, тіпті IC-ді әзірлеудің төрт онжылдығынан кейін де, IC-ді жобалаудың ажырамас бөлігі болып табылады. Осы алғашқы буын IC-де процестердің өзгермелілігі мен параметрлік өнімділік мәселе болды - бұл тақырып болашақ IC технологиясында бақылаушы фактор ретінде қайта пайда болады. Процестерді басқару мәселесі - ішкі құрылғылар мен барлық паразиттік құрылғылар үшін - үлкен қиындықтар тудырды және процесс пен құрылғыны симуляциялау үшін бірқатар озық физикалық модельдерді әзірлеуді талап етті. 1960 жылдардың аяғынан бастап 1970 жылдарға дейін модельдеу тәсілдері негізінен бір және екі өлшемді тренажерлар болды. Бұл алғашқы ұрпақтардағы TCAD биполярлы технологияның физикаға бағдарланған қиындықтарын шешуде керемет уәде беріп отырса, MOS технологиясының жоғары масштабталуы мен қуат тұтынуы IC индустриясын революциялады. 1980 жылдардың ортасына қарай CMOS интеграцияланған электрониканың басым драйвері болды. Дегенмен, бұл ерте TCAD дамуы олардың өсуі мен кең таралуы үшін негіз болды, бұл қазіргі уақытта негізгі ағым болып табылатын VLSI және ULSI дәуірлері арқылы технологияның дамуын арттырған маңызды құралдар жиынтығы. МОС технологиясы ширек ғасырдан астам уақыт бойы IC-ны дамытуда басым болды. 1970 және 1980 жылдары NMOS жылдамдық пен аумақ артықшылықтарына байланысты технологияның шектеулері мен оқшаулануға, паразиттік әсерлерге және процесс күрделілігіне байланысты мәселелерге байланысты болды. NMOS LSI-ге үстемдік еткен және VLSI пайда болған кезеңде MOS технологиясының негізгі масштабтау заңдары кодталды және кеңінен қолданылды. Бұл кезеңде TCAD процестерді (негізінен бір өлшемді) мықты модельдеуді жүзеге асыру тұрғысынан жетістікке жетті, содан кейін ол бүкіл салада кеңінен қолданылатын интегралды технологияны жобалау құралына айналды. Сонымен қатар, MOS құрылғыларының табиғатына байланысты екі өлшемді құрылғылар симуляциясы, құрылғыларды жобалау мен масштабтау кезінде технологтардың жұмыс аты болды. NMOS-тан CMOS технологиясына көшу процестер мен құрылғыларды симуляциялау үшін тығыз біріктірілген және толық 2D симуляторлардың қажеттілігін туды. Бұл үшінші буын TCAD құралдары екі ұңғылы CMOS технологиясының толық күрделілігін шешу үшін маңызды болды (3a суретті қараңыз), оның ішінде жобалау ережелері мен латчоп сияқты паразиттік әсерлер мәселелері. Бұл кезеңнің қысқартылған көрінісі 1980 жылдардың ортасына дейін берілген; және TCAD құралдары жобалау процесінде қалай қолданылғаны туралы қараңыз.
The evolution of technology computer aided design (TCAD) the synergistic combination of process, device and circuit simulation and modeling tools—finds its roots in bipolar technology, starting in the late 1960s, and the challenges of junction isolated, double and triple diffused transistors. These devices and technology were the basis of the first integrated circuits; nonetheless, many of the scaling issues and underlying physical effects are integral to IC design, even after four decades of IC development. With these early generations of IC, process variability and parametric yield were an issue—a theme that will reemerge as a controlling factor in future IC technology as well. Process control issues—both for the intrinsic devices and all the associated parasitics—presented formidable challenges and mandated the development of a range of advanced physical models for process and device simulation. Starting in the late 1960s and into the 1970s, the modeling approaches exploited were dominantly one and two dimensional simulators. While TCAD in these early generations showed exciting promise in addressing the physics oriented challenges of bipolar technology, the superior scalability and power consumption of MOS technology revolutionized the IC industry. By the mid 1980s, CMOS became the dominant driver for integrated electronics. Nonetheless, these early TCAD developments set the stage for their growth and broad deployment as an essential toolset that has leveraged technology development through the VLSI and ULSI eras which are now the mainstream. IC development for more than a quarter century has been dominated by the MOS technology. In the 1970s and 1980s NMOS was favored owing to speed and area advantages, coupled with technology limitations and concerns related to isolation, parasitic effects and process complexity. During that era of NMOS dominated LSI and the emergence of VLSI, the fundamental scaling laws of MOS technology were codified and broadly applied. It was also during this period that TCAD reached maturity in terms of realizing robust process modeling (primarily one dimensional) which then became an integral technology design tool, used universally across the industry. At the same time device simulation, dominantly two dimensional owing to the nature of MOS devices, became the work horse of technologists in the design and scaling of devices. The transition from NMOS to CMOS technology resulted in the necessity of tightly coupled and fully 2D simulators for process and device simulations. This third generation of TCAD tools became critical to address the full complexity of twin well CMOS technology (see Figure 3a), including issues of design rules and parasitic effects such as latchup. An abbreviated perspective of this period, through the mid 1980s, is given in; and from the point of view of how TCAD tools were used in the design process, see.