El modelado de dispositivos semiconductores crea modelos para el comportamiento de los dispositivos eléctricos basados en la física fundamental, como los perfiles de dopaje de los dispositivos. También puede incluir la creación de modelos compactos (como los bien conocidos modelos de transistores SPICE ), que intentan capturar el comportamiento eléctrico de dichos dispositivos, pero generalmente no los derivan de la física subyacente. Normalmente comienza con la salida de una simulación de proceso de semiconductores .
Introducción
La figura de la derecha proporciona una vista conceptual simplificada del "panorama general". Esta figura muestra dos etapas del inversor y la gráfica de voltaje-tiempo de entrada-salida resultante del circuito. Desde el punto de vista de los sistemas digitales, los parámetros clave de interés son: retardos de tiempo, potencia de conmutación, corriente de fuga y acoplamiento cruzado ( diafonía ) con otros bloques. Los niveles de voltaje y la velocidad de transición también son motivo de preocupación.
La figura también muestra esquemáticamente la importancia de I encendido frente a I apagado , que a su vez está relacionado con la corriente de accionamiento (y la movilidad) para el dispositivo "encendido" y varias rutas de fuga para los dispositivos "apagados". No se muestran explícitamente en la figura las capacitancias, tanto intrínsecas como parasitarias, que afectan el desempeño dinámico.
La escala de potencia, que ahora es una fuerza impulsora importante en la industria, se refleja en la ecuación simplificada que se muestra en la figura; los parámetros críticos son la capacitancia, la fuente de alimentación y la frecuencia de reloj. Los parámetros clave que relacionan el comportamiento del dispositivo con el rendimiento del sistema incluyen el voltaje umbral , la corriente de conducción y las características del subumbral.
Es la confluencia de los problemas de rendimiento del sistema con la tecnología subyacente y las variables de diseño del dispositivo lo que da como resultado las leyes de escala en curso que ahora codificamos como ley de Moore .
Modelado de dispositivos
La física y el modelado de dispositivos en circuitos integrados está dominada por MOS y modelado de transistores bipolares. Sin embargo, otros dispositivos son importantes, como los dispositivos de memoria, que tienen requisitos de modelado bastante diferentes. Por supuesto, también hay problemas de ingeniería de confiabilidad, por ejemplo, circuitos y dispositivos de protección contra descargas electrostáticas (ESD), donde el sustrato y los dispositivos parásitos son de vital importancia. La mayoría de los programas de modelado de dispositivos no tienen en cuenta estos efectos y modelado; Se remite al lector interesado a varias monografías excelentes en el área del modelado de ESD y E / S. [1] [2] [3]
Modelos impulsados por la física frente a modelos compactos
El modelado de dispositivos impulsado por la física está destinado a ser preciso, pero no es lo suficientemente rápido para herramientas de nivel superior, incluidos los simuladores de circuitos como SPICE . Por lo tanto, los simuladores de circuitos normalmente usan modelos más empíricos (a menudo llamados modelos compactos) que no modelan directamente la física subyacente. Por ejemplo, el modelado de la movilidad de la capa de inversión , o el modelado de la movilidad y su dependencia de los parámetros físicos, las condiciones ambientales y de funcionamiento es un tema importante tanto para los modelos físicos TCAD (tecnología de diseño asistido por computadora) como para los modelos compactos a nivel de circuito. Sin embargo, no se modela con precisión a partir de los primeros principios, por lo que se recurre a ajustar los datos experimentales. Para el modelado de movilidad a nivel físico, las variables eléctricas son los diversos mecanismos de dispersión, densidades de portadora y potenciales y campos locales, incluida su tecnología y dependencias ambientales.
Por el contrario, a nivel de circuito, los modelos parametrizan los efectos en términos de voltajes terminales y parámetros empíricos de dispersión. Se pueden comparar las dos representaciones, pero en muchos casos no está claro cómo se interpretarán los datos experimentales en términos de un comportamiento más microscópico.
Historia
La evolución de la tecnología de diseño asistido por computadora (TCAD), la combinación sinérgica de procesos, dispositivos y herramientas de simulación y modelado de circuitos, encuentra sus raíces en la tecnología bipolar , comenzando a fines de la década de 1960, y los desafíos de la unión aislada, doble y transistores de triple difusión . Estos dispositivos y tecnología fueron la base de los primeros circuitos integrados; No obstante, muchos de los problemas de escala y los efectos físicos subyacentes son parte integral del diseño de IC , incluso después de cuatro décadas de desarrollo de IC. Con estas primeras generaciones de CI, la variabilidad del proceso y el rendimiento paramétrico fueron un problema, un tema que resurgirá como un factor de control en la futura tecnología de CI.
Los problemas de control de procesos, tanto para los dispositivos intrínsecos como para todos los parásitos asociados, presentaron desafíos formidables y exigieron el desarrollo de una gama de modelos físicos avanzados para la simulación de procesos y dispositivos. A partir de finales de la década de 1960 y hasta la de 1970, los enfoques de modelado explotados fueron predominantemente simuladores unidimensionales y bidimensionales. Si bien TCAD en estas primeras generaciones mostró una promesa emocionante para abordar los desafíos orientados a la física de la tecnología bipolar, la escalabilidad superior y el consumo de energía de la tecnología MOS revolucionaron la industria de los circuitos integrados. A mediados de la década de 1980, CMOS se convirtió en el impulsor dominante de la electrónica integrada. No obstante, estos primeros desarrollos de TCAD [4] [5] sentaron las bases para su crecimiento y amplia implementación como un conjunto de herramientas esenciales que ha aprovechado el desarrollo de tecnología a través de las eras VLSI y ULSI que ahora son la corriente principal.
El desarrollo de IC durante más de un cuarto de siglo ha estado dominado por la tecnología MOS. En las décadas de 1970 y 1980, se favoreció el NMOS debido a las ventajas de velocidad y área, junto con las limitaciones de la tecnología y las preocupaciones relacionadas con el aislamiento, los efectos parasitarios y la complejidad del proceso. Durante esa era de LSI dominada por NMOS y el surgimiento de VLSI, las leyes fundamentales de escalamiento de la tecnología MOS fueron codificadas y aplicadas ampliamente. [6] También fue durante este período que TCAD alcanzó la madurez en términos de realizar un modelado de procesos robusto (principalmente unidimensional) que luego se convirtió en una herramienta de diseño de tecnología integral, utilizada universalmente en toda la industria. [7] Al mismo tiempo, la simulación de dispositivos, predominantemente bidimensional debido a la naturaleza de los dispositivos MOS, se convirtió en el caballo de batalla de los tecnólogos en el diseño y escalado de dispositivos. [8] [9] La transición de la tecnología NMOS a la CMOS resultó en la necesidad de simuladores totalmente acoplados y completamente 2D para simulaciones de procesos y dispositivos. Esta tercera generación de herramientas TCAD se volvió fundamental para abordar toda la complejidad de la tecnología CMOS de dos pozos (consulte la Figura 3a), incluidos los problemas de las reglas de diseño y los efectos parásitos como el latchup . [10] [11] Se da una perspectiva abreviada de este período, hasta mediados de la década de 1980, en; [12] y desde el punto de vista de cómo se utilizaron las herramientas TCAD en el proceso de diseño, ver. [13]
Ver también
Referencias
- ^ C. Duvvury y A. Amerasekera, ESD: una preocupación generalizada por la confiabilidad para las tecnologías de CI , Proc. IEEE, vol. 81, págs. 690-702, 1993.
- ^ A. Amerasekera y C. Duvvury, ESD en circuitos integrados de silicio, segunda edición, Nueva York, John Wiley & Sons, 2002. ISBN 0-471-49871-8
- ^ S. Dabral y TJ Maloney, Diseño básico de ESD y E / S, Nueva York, John Wiley & Sons, 1998. ISBN 0-471-25359-6
- ^ HJ DeMan y R. Mertens, SITCAP - Un simulador de transistores bipolares para programas de análisis de circuitos asistidos por computadora , Conferencia internacional de circuitos de estado sólido (ISSCC), Technical Digest, págs. 104-5, febrero de 1973.
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- ^ KM Cham, S.-Y. Oh, D. Chin y JL Moll, Diseño asistido por computadora y desarrollo de dispositivos VLSI, Kluwer Academic Publishers (KAP), 1986. ISBN 0-89838-204-1
- Manual de automatización de diseño electrónico para circuitos integrados , por Lavagno, Martin y Scheffer, ISBN 0-8493-3096-3 Un estudio del campo de la automatización del diseño electrónico . Este resumen se derivó (con autorización) del Vol II, Capítulo 25, Modelado de dispositivos, desde la física hasta la extracción de parámetros eléctricos , por Robert W. Dutton, Chang-Hoon Choi y Edwin C. Kan.
- RW Dutton y AJ Strojwas, Perspectivas sobre tecnología y CAD impulsado por tecnología , IEEE Trans. CAD-ICAS, vol. 19, no. 12, págs. 1544-1560, diciembre de 2000.