Հայաստանի ատենախոսությունների բաց մատչելիության պահոց = Open Access Repository of the Armenian Electronic Theses and Dissertations (Armenian ETD-OA) = Репозиторий диссертаций Армении открытого доступа

Եռաչափ տրանզիստորներով միկրոէլեկտրոնային սխեմաների նախագծման միջոցների մշակումը

Մանուկյան, Սերգեյ Հակոբի (2017) Եռաչափ տրանզիստորներով միկրոէլեկտրոնային սխեմաների նախագծման միջոցների մշակումը. PhD thesis, Հայաստանի ազգային պոլիտեխնիկական համալսարան .

[img] PDF (Thesis)
Available under License Creative Commons Attribution.

Download (19Mb)
    [img] PDF (Abstract)
    Available under License Creative Commons Attribution.

    Download (865Kb)

      Abstract

      Ինտեգրալ սխեմաների (ԻՍ) զարգացման ողջ ընթացքն ուղեկցվել է դրանցում տարբեր տեսակի տրանզիստորների օգտագործմամբ և վերջիններիս երկրաչափական չափերի փոքրացմամբ՝ մասշտաբավորմամբ: Մասշտաբավորման հիմնական նպատակն է ավելացնել ԻՍ-երի ֆունկցիոնալ հնարավորությունները և դրանցում կիսահաղորդչային սարքերի ինտեգրացման աստիճանը: Միկրոէլեկտրոնային սխեմաներում առաջինն օգտագործվել են երկբևեռ տրանզիստորները, որոնք հայտնի են իրենց բարձր արագագործությամբ: Սակայն վերջիններիս՝ անհրաժեշտ պահանջներին չբավարարող էներգասպառումը և բարդ մասշտաբավորվելիությունը խոչընդոտ հանդիսացան դրանցով կառուցվող ԻՍ-երի հետագա զարգացման համար: Երկբևեռ տրանզիստորները փոխարինվեցին մետաղ-օքսիդ-կիսահաղորդիչ (ՄՕԿ) տրանզիստորներով, որոնք երկբևեռների համեմատ ավելի դանդաղագործ էին, սակայն ունեին ԻՍ-երի անհրաժեշտ ցածր էներգասպառում ապահովելու հնարավորություն, իսկ հեշտ մասշտաբավորվելիության շնորհիվ հնարավոր էին դարձրել միկրոէլեկտրոնային սխեմաներում տարրերի ինտեգրացման աստիճանի շարունակական բարձրացումը: Այդ տրանզիստորների երկու տեսակները՝ nՄՕԿ եւ pՄՕԿ, ընկած են կոմպլեմենտար ՄՕԿ (ԿՄՕԿ) ԻՍ-երի կառուցման հիմքում, որոնք երկար տարիներ հանդիսացել են սխեմաների կառուցման արդյունավետ տեխնոլոգիական լուծում: ԿՄՕԿ ԻՍ-երի մասշտաբավորման ընթացքում դրա հիմնական մակրոբնութագրերի՝ արագագործության, ցածր էներգասպառման և կիսահաղորդչային բյուրեղի վրա զբաղեցրած մակերեսի բարելավմանը խոչընդոտում են փոքր չափերով ՄՕԿ տրանզիստորներում ի հայտ եկող կարճ-հոսքուղային երևույթները: Դրանք հանգեցնում են հոսքուղու երկարությունից կախված շեմային լարման, լիցքակիրների՝ հագեցման արագություն ձեռք բերելու կարճ տևողության, արտաբերի հոսանքի՝ հոսքուղու երկարությունից հակադարձ համեմատականությունը կորցնելուն և տրանզիստորի՝ ժամանակի հետ վատթարացվող բնութագրերի: Նշված երևույթները էական ազդեցություն ունեցան 22 նմ-ից փոքր չափերով տրանզիստորների դեպքում, երբ ենթաշեմային կորստի հոսանքները ձեռք բերեցին օգտակար հոսանքներին համեմատելի արժեքներ, իսկ ՄՕԿ սարքերի հետագա մասշտաբավորումը դարձավ աննպատակահարմար: ՄՕԿ տեխնոլոգիային փոխարինելու համար ստեղծվեցին եռաչափ բազմափական տրանզիստորներ (ԵՏ), որոնք ՄՕԿ-երից ունեցած կառուցվածքային էական տարբերությունների և աշխատանքի բոլորովին այլ սկզբունքի շնորհիվ հնարավոր են դարձնում ԻՍ-երի՝ 22 նմ-ից հետո չափերի մասշտաբավորումը՝ ապահովելով էներգասպառման և արագագործության անհրաժեշտ մակարդակ: Развитие интегральных схем (ИС) сопровождалось использованием в них разных видов транзисторов и масштабированием геометрических размеров последних. Основная цель масштабирования – увеличение функциональных способностей ИС и степени интеграции полупроводниковых приборов. В микроэлектронных схемах вначале использовались известные по своему быстродействию биполярные транзисторы. Однако энергопотребление, не удовлетворяющее необходимым условиям, и сложное масштабирование этих транзисторов препятствовали развитию проектируемых ИС. Биполярные транзисторы были заменены металл-оксид-полупроводник (МОП) транзисторами, которые, по сравнению с первыми, были менее быстродействующими, однако имели возможность удовлетворить необходимое энергопотребление схемы, а их масштабируемость обеспечивала продолжительное увеличение степени интеграции полупроводниковых приборов в ИС. В основе комплементарных МОП (КМОП) конструкций лежат два вида МОП транзисторов nМОП и pМОП, которые долгие годы являлись эффективным технологическим решением построения ИС. Краткоканальные явления, существующие в нанометрических транзисторах, представляют собой основное препятствие для улучшения быстродействия, энергопотребления и занимаемой на полупроводниковом кристалле площади компонентов КМОП ИС. Они приводят к зависящему от длины канала пороговому напряжению, малой длительности достижения скорости насыщения носителя заряда, потере обратной пропорциональности тока в транзисторе от длины канала и деградирующимся со временем характеристикам транзистора. Перечисленные явления достигли значительного воздействия в случае транзисторов размером меньше 22 нм, когда околопороговые токи начали принимать значения, сопоставимые с полезными токами транзистора, а дальнейшее масштабирование стало нецелесообразным. На замену МОП пришли транзисторы силикон-на-изоляторе (СНИ), сложности производства которых препятствуют широкому использованию последних. Для замены МОП транзисторов были созданы трехмерные многозатворные транзисторы, которые благодаря значительным конструкционным отличиям и совершенно иному принципу работы предоставляют возможность масштабирования транзисторов размером меньше 22 нм, сохраняя при этом необходимый уровень энергопотребления и быстродействия. Ряд средств проектирования схем трехмерными транзисторами были разработаны разными авторами, однако во всех случаях преобладают трехмерные транзисторы, у которых затворы соединены в один и являются трехмерным аналогом МОП транзисторов. Из-за такого соединения управляемость характеристик этих приборов довольно ограничена. Для удовлетворения предъявляемым к современным ИС требованиям быстродействия, энергопотребления и занимаемой на полупроводниковом кристалле площади, возникает острая необходимость разработки средств проектирования микроэлектронных схем трехмерными транзисторами, имеющими независимые затворы. The development of integrated circuits (IC) has been accompanied by the usage of various types of transistors and the reduction or scaling of their geometrical dimensions. The goal of scaling is to add more functionality to IC and increase the degree of components’ integration in it. Bipolar transistors, which are known for their high performance, were the first to be used in microelectronics circuits. The unsatisfactory level of energy consumption and complex scaling of these transistors stopped further development of corresponding ICs. Bipolar transistors have been replaced by metal-oxide-semiconductor (MOS) transistors which are slower than bipolars, but are more energy efficient and easier to scale, which allowed further increase in the degree of integration of IC components. nMOS and pMOS types of MOS transistor are the cornerstones for complementary MOS (CMOS) architectures which were dominating the field for many years. The continuous scaling of CMOS circuits have faced the negative influence of short-channel effects, which lead to the channel length-dependent threshold voltage, fast saturation velocities, loss of reverse proportion between drain current and channel length and to the degrading characteristics of transistor. The mentioned negative effects became sufficient for the feature sizes of 22 nm, when subthreshold currents reached values comparable with useful currents and further scaling of MOS transistors became pointless. 3D transistors have been created to replace MOS type. Due to the completely different way of operation the formers allowed to implement further scaling by ensuring the required level of energy consumption and performance. Many authors have suggested means for 3D circuit design that mainly use the shorted-gate type of 3D transistors that by the way of gate control, is similar to MOS. Compared to the opportunities 3D devices offer, shorted gate transistors have very limited controllability. For the purpose of satisfying the constraints of modern ICs a need for the development of 3D circuit with independent gate devices has occurred. The requirements for microelectronics circuits built with 3D transistors have been formulated, satisfaction of which will ensure required values for energy consumption, performance and the area occupied on silicon. Four static memory cell development methods have been proposed, which utilize the opportunities offered by independent gate structure of 3D transistors and ensure high values for static noise margins and lower leakage energy at a price of slightly increased area. A charge protection method for the dynamic node of domino logic circuits has been developed, which ensures higher performance and required level of static noise margin at a price of slightly increased area occupied on a wafer. A method has been created, that improves static noise margin and performance of static latches at a price of slightly increased energy consumption.

      Item Type: Thesis (PhD)
      Additional Information: Разработка средств проектирования микроэлектронных схем с трехмерными транзисторами. Development of means for the design of microelectronics circuits with 3D transistors.
      Uncontrolled Keywords: Манукян Сергей Акопович, Manukyan Sergey Hakob
      Subjects: Control, Automation and Electrical Engineering
      Divisions: UNSPECIFIED
      Depositing User: NLA Circ. Dpt.
      Date Deposited: 08 Sep 2017 10:38
      Last Modified: 08 Sep 2017 11:20
      URI: http://etd.asj-oa.am/id/eprint/5553

      Actions (login required)

      View Item