CC BY
5УДК 621.382.8
Зависимость температурного коэффициента напряжения логической единицы КМОП цифровых интегральных микросхем
от тока нагрузки
В.А. Ламзин, В.А. Сергеев, В.В. Юдин
Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН Ульяновский государственный технический университет
При косвенном измерении тепловых параметров КМОП цифровых интегральных схем (ЦИС) в качестве температурочувствительного параметра используется выходное напряжение
логической единицы U ¿ьк [1, 2], поскольку абсолютное значение температурного коэффициента выходного напряжения логической единицы ТК U ¿ьк почти на порядок больше температурного коэффициента выходного напряжения логического нуля ТК U 0ЬК, а выборочное средне-квадратическое отклонение (СКО) ТК U¿ых в несколько раз меньше, чем СКО ТК U0ых [3]. При
этом значение ТК U ¿bIX сильно зависит от тока нагрузки контролируемого логического элемента (ЛЭ), но характер этих зависимостей ранее не рассматривался. Приводятся температурные зависимости выходных параметров КМОП ИС при номинальном токе нагрузки [4], а ТК Uвых рассматриваются как фактор температурной стабильности [5, 6].
Зависимости ТКU¿ых от тока нагрузки исследовались для трех типов ЦИС: 561ЛА7, 561ЛЕ5 (по 100 ЛЭ в выборке) и CD4049UD (шесть инверторов в одном корпусе) производства Texas Instrument. Результаты показывают совпадение зависимости ТЮУ¿bIX от тока нагрузки российских производителей и Texas Instrument (рис.1). Напряжение питания составляло Епит = 10 В, ток нагрузки изменялся путем изменения сопротивления нагрузки RK контролируемого логического элемента. ИС помещались в металлическую емкость с речным песком, играющую роль термостата. Температура изменялась внешним электрическим нагревателем от 20 до 100 °С и измерялась вблизи корпуса микросхемы термопарой мультиметра MY-64. Значение температурного коэффициента напряжения определялось методом наименьших квадратов по зависимостям ), измеренным при различных токах нагрузки. Из рис.1 видно, что абсо-
Рис.1. Зависимости ТК и^ от тока нагрузки для микросхем 561ЛА7 (а) и CD4049UB (б): среднее значение; • - • - минимальное;---максимальное
© В.А. Ламзин, В.А. Сергеев, В.В. Юдин, 2012
Рис.2. Схема КМОП ЛЭ типа 2И-НЕ: транзисторы УТ1р, УТ2р - р-канальные обогащенного типа; УТ1п, УТ2п - п-канальные обогащенного типа
лютная величина ТКи¿ых растет с ростом тока нагрузки практически линейно вплоть до значений тока порядка 8 мА.
Полученные экспериментальные зависимости можно объяснить, используя схему ЛЭ КМОП ЦИС (рис.2) [4]. Зависимость напряжения логической единицы на выходе ЛЭ КМОП ЦИС от температуры
и¿ыхТ) определяется изменением сопротивления канала (Лк) р-канальных МОП-транзисторов УТ1р и УТ2р. Выражение для сопротивления р-канала на линейном участке ВАХ имеет вид [7]
Як р = [№)ц Р*Сох из - и зипор -ис/2)]"1, (1)
где ц- приповерхностная подвижность дырок в
канале, Сох - удельная подзатворная емкость, Ж - ширина, Ь - длина канала. Температурозависимым параметром в (1) является подвижность дырок в канале ц. Температурная зависимость подвижности дырок в кремнии может быть описана выражением [7]:
Ц=ВГп , (2)
где Т - абсолютная температура; В - температуронезависимый параметр; п - показатель степени, для объемной подвижности обычно п = -3/2. Используя (1), запишем выражение для и^ :
и 1 _ Е — т и _ Е __
и вых _ Епит т Сик р _ Епит
-, (IС _ Iн ).
(3)
(Ж/Ь)ц р£оХ (из — и зипор — ис/ 2)
Если выразить иС из уравнения 1с _ [(ж/Ь^цр$С0х (из — изипор — ис/2)] ис и подставить полученное решение для иС при из « Епит в (3) с учетом (2), получим
ивых _ изИпор +
(из — изИпор )2 Ст
где О _ (ж/Ь)БСох . Дифференцируя (4) по температуре, получим выражение для ТКивь
иц1
ТКиВ^к __—п• Тп—11 с
аТ
О
(из — изИпор ) —
2 21СТ
О
—1
(4)
(5)
Для проверки этой модели были взяты результаты измерения и 1 (Т ) одного из ЛЭ микросхемы типа К561ЛА7 при токе нагрузки 3 мА и двух значениях температуры: 293 К и^ (293 К)= 9,27 В и 370 К (370 К) = 9,05 В. Подставив измеренные значения и^(Т), значение тока нагрузки, предварительно измеренное по схеме [9] пороговое напряжение (и зИпор = 1,59 В) данного ЛЭ в (5), получим систему уравнений для определения значений п и G:
9,27=1,59+
9,05=1,59+
о 2 • 0 003-293п (10 —1,59)2 — - 0,003 293
О
(10 —1,59)2 — 2 • 0,0°3-370
О
(6)
Решением (6) являются значения п = 1,07 и G = 0,223. Принимая отношение Ж/Ь равным 30 и типичное для кремниевых МОП-структур значение удельной подзатворной емкости Сох=4^10-8 Ф/см2, из выражения О = (Ж/^)БСох имеем В = 1,86105 см2К/Вс. Тогда получим
I
С
значения приповерхностной подвижности дырок согласно (2): 426 см2/Вс при температуре 293 К и M-ps2= 332 см2 /В с при температуре 370 К, что хорошо согласуется с известными данными [4,7,8]. Для полученных значений n и G по формуле (6) рассчитана теоретическая токовая зависимость ТК^¿ых, которая хорошо совпадает с экспериментальными данными для данного ЛЭ в диапазоне токов до 8 мА (рис.3). Дальнейшее увеличение тока изменяет режим работы р-МОП-транзисторов ЛЭ.
Проведенные исследования показали, что температурный коэффициент выходного напряжения логической единицы КМОП ЦИС практически линейно зависит от тока нагрузки вплоть до токов ~8 мА, что определяется температурной зависимостью подвижности носителей заряда в канале выходных транзисторов. Температурные зависимости напряжения логической единицы можно использовать для оценки как самой подвижности, так и параметров ее температурной зависимости. Предложенная модель справедлива для КМОП ЦИС с подобной схемой ЛЭ.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках ФЦП «Развитие научного потенциала высшей школы на 2009-2011 годы» (проект № 2.1.2/13930).
Литература
1. Сергеев В.А. Устройство для определения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем // Пат. РФ № 2174692 МКИ7 G 01 R 31/317. - 2001. - Бюл. № 28.
2. Сергеев В.А. Устройство для отбраковки цифровых интегральных микросхем // Пат. РФ № 2187126 МКИ7 G 01 R 31/28. - 2002. - Бюл. № 22.
3. Ламзин В. А., Сергеев В. А., Юдин В. В. Исследование температурочувствительных параметров цифровых интегральных микросхем // Радиоэлектронная техника : межвуз. сб. науч. тр. / Под ред. В. А. Сергеева. - Ульяновск: УлГТУ, 2010. - С. 106-112.
4. Тилл У., Лаксон Дж. Интегральные схемы: материалы, приборы, изготовление: пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - 501 с.
5. Ultralow-power current reference circuit with low temperature dependence / T. Hirose et al // IEICE Trans. Electron. -2005. - Vol. E88-C, № 6. - P. 1141-1147.
6. Ueno K. CMOS voltage and current reference circuits consisting of subthreshold MOSFETs // Solid State Circuits Technologies.: book ed. by: Jacobus W. Swart. - 2010. - P. 1-24.
7. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: в 2-х кн. Кн. 1: пер. с англ. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Мир, 1984. - 456 с.
8. Ржевкин К. С. Физические принципы действия полупроводниковых приборов. - М.: Изд-во МГУ, 1986. - 256 с.
9. Сергеев В.А., Юдин В.В. Устройство для измерения пороговых напряжений цифровых интегральных микросхем // А.с. №1383233 СССР, МКИ7 G 01 R 31/28. - 1988. - Бюл. № 11.
Поступило после доработки 4 июня 2012 г.
Ламзин Владимир Александрович - аспирант базовой кафедры радиотехники, опто- и наноэлектроники УлГТУ при УФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН. Область научных интересов: методы и средства измерения теплоэлектрических параметров полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. E-mail: ufire@mv.ru
Сергеев Вячеслав Андреевич - доктор технических наук, доцент, директор УФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, заведующий базовой кафедрой радиотехники, опто- и наноэлектроники УлГТУ при УФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН. Область научных интересов: токораспределение и теплофизические процессы в твердотельных структурах, полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах, методы и средства измерения теплофизи-ческих параметров изделий электронной техники.
Юдин Виктор Васильевич - кандидат технических наук, главный инженер УФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, доцент базовой кафедры радиотехники, опто- и наноэлектроники УлГТУ при УФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН. Область научных интересов: методы и средства контроля качества полупроводниковых приборов и интегральных микросхем по теплоэлектрическим характеристикам.
-TKi/1, мВ/К 10 Г--1—
О 1 2 3 4 5 6 7 /, мА
Рис.3. Зависимость ТКС^1 одного из логических элементов микросхемы типа 561ЛА7 от тока нагрузки (А - экспериментальные данные)
