نمذجة أجهزة أشباه الموصلات

📅 آخر تحديث: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة

تسلسل هرمي لأدوات التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) التقنية، بدءًا من مستوى العمليات وصولًا إلى الدوائر. تُظهر الأيقونات على اليسار مشكلات التصنيع الشائعة، بينما تعكس الأيقونات على اليمين نتائج تحجيم MOS بناءً على التصميم بمساعدة الحاسوب التقني (TCAD) . المصدر: البروفيسور روبرت داتون، من كتاب CRC Electronic Design Automation for IC Handbook، المجلد الثاني، الفصل 25، بإذن منه.

يُنشئ نمذجة أجهزة أشباه الموصلات نماذج لسلوك هذه الأجهزة استنادًا إلى الفيزياء الأساسية، مثل توزيع الشوائب فيها. وقد يشمل ذلك أيضًا إنشاء نماذج مُصغّرة (مثل نماذج ترانزستور SPICE المعروفة )، والتي تحاول محاكاة السلوك الكهربائي لهذه الأجهزة، ولكنها لا تستمدها عادةً من الفيزياء الأساسية. يبدأ هذا عادةً من مُخرجات محاكاة عملية تصنيع أشباه الموصلات .

مقدمة

رسم تخطيطي لمرحلتين من عاكس CMOS، يوضح منحنيات جهد الدخل والخرج مع الزمن. تشير تيارات التشغيل (I <sub>on </sub> ) والإيقاف (I <sub> off</sub> ) (إلى جانب مكونات I <sub>DG</sub> وI <sub>SD</sub> وI <sub>DB</sub> ) إلى العوامل التي يتم التحكم بها تقنيًا. المصدر: البروفيسور روبرت داتون، من كتاب CRC Electronic Design Automation for IC Handbook ، المجلد الثاني، الفصل 25، بإذن منه.

يُقدّم الشكل على اليمين عرضًا مفاهيميًا مُبسّطًا للصورة الكلية. يُظهر هذا الشكل مرحلتين من العاكس، بالإضافة إلى مُخطط الجهد-الزمن الناتج عن الدائرة. من منظور الأنظمة الرقمية، تتمثل المعايير الرئيسية ذات الأهمية في: تأخيرات التوقيت، وطاقة التبديل، وتيار التسريب، والتداخل ( التشويش ) مع الوحدات الأخرى. كما تُعدّ مستويات الجهد وسرعة الانتقال من العوامل المهمة أيضًا.

يوضح الشكل أيضًا بشكل تخطيطي أهمية التيار في حالة التشغيل (I on) مقابل التيار في حالة الإيقاف (I off )، والذي يرتبط بدوره بتيار التشغيل (والحركية) للجهاز في حالة التشغيل، بالإضافة إلى مسارات التسريب المتعددة للأجهزة في حالة الإيقاف. ولا يظهر في الشكل بشكل صريح السعات - سواءً الداخلية أو الطفيلية - التي تؤثر على الأداء الديناميكي.

يتجلى تصغير استهلاك الطاقة، الذي يُعدّ الآن قوة دافعة رئيسية في الصناعة، في المعادلة المبسطة الموضحة في الشكل، حيث تتمثل المعلمات الأساسية في السعة الكهربائية، ومصدر الطاقة، وتردد الساعة. وتشمل المعلمات الرئيسية التي تربط سلوك الجهاز بأداء النظام جهد العتبة ، وتيار التشغيل، وخصائص ما دون العتبة.

إن اجتماع مشكلات أداء النظام مع التكنولوجيا الأساسية ومتغيرات تصميم الجهاز هو ما يؤدي إلى قوانين التوسع المستمرة التي نقوم الآن بتقنينها باسم قانون مور .

نمذجة الأجهزة

يهيمن على فيزياء ونمذجة الأجهزة في الدوائر المتكاملة نمذجة ترانزستورات MOS وثنائية القطب. مع ذلك، توجد أجهزة أخرى مهمة، مثل أجهزة الذاكرة، التي تتطلب نمذجة مختلفة تمامًا. وبالطبع، هناك أيضًا مسائل هندسة الموثوقية - على سبيل المثال، دوائر وأجهزة الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) - حيث تُعد الركيزة والأجهزة الطفيلية ذات أهمية محورية. لا تأخذ معظم برامج نمذجة الأجهزة هذه التأثيرات والنمذجة في الحسبان؛ وللمزيد من المعلومات، يُرجى الرجوع إلى العديد من الدراسات الممتازة في مجال نمذجة التفريغ الكهروستاتيكي ووحدات الإدخال/الإخراج. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

النماذج القائمة على الفيزياء مقابل النماذج المدمجة

مثال على نمذجة فيزيائية لترانزستور MOSFET. تشير الخطوط الملونة إلى كثافة الحالات المحلية المُقاسة مكانيًا . يتم تغيير جهد البوابة في ترانزستور MOSFET ذي سلك نانوي عند جهد المصرف Vd=0.6V. لاحظ مستويات الطاقة المحصورة أثناء تحركها مع جهد البوابة.

يهدف نمذجة الأجهزة القائمة على الفيزياء إلى تحقيق الدقة، إلا أنها ليست سريعة بما يكفي للأدوات المتقدمة، بما في ذلك برامج محاكاة الدوائر مثل SPICE . لذلك، تستخدم برامج محاكاة الدوائر عادةً نماذج تجريبية (تُسمى غالبًا النماذج المُدمجة) لا تُحاكي الفيزياء الأساسية بشكل مباشر. على سبيل المثال، تُعد نمذجة حركة الإلكترونات في طبقة الانعكاس ، أو نمذجة الحركة واعتمادها على المعايير الفيزيائية والظروف المحيطة وظروف التشغيل، موضوعًا هامًا لكلٍ من النماذج الفيزيائية المُصممة باستخدام الحاسوب ( TCAD ) والنماذج المُدمجة على مستوى الدوائر. ومع ذلك، لا يُمكن نمذجتها بدقة من المبادئ الأساسية، لذا يُلجأ إلى مُطابقة البيانات التجريبية. بالنسبة لنمذجة الحركة على المستوى الفيزيائي، تتمثل المتغيرات الكهربائية في آليات التشتت المختلفة، وكثافات حاملات الشحنة، والجهود والمجالات المحلية، بما في ذلك اعتمادها على التكنولوجيا والظروف المحيطة.

في المقابل، على مستوى الدائرة، تُحدد النماذج التأثيرات بدلالة جهود الأطراف ومعاملات التشتت التجريبية . يمكن مقارنة التمثيلين، لكن من غير الواضح في كثير من الحالات كيفية تفسير البيانات التجريبية من حيث السلوك المجهري.

تاريخ

يعود تطور تقنية التصميم بمساعدة الحاسوب (TCAD) - وهي مزيج متكامل من أدوات محاكاة وتصميم العمليات والأجهزة والدوائر - إلى تقنية ثنائية القطب ، التي بدأت في أواخر الستينيات، وتحديات الترانزستورات المعزولة عند الوصلات، والترانزستورات ثنائية وثلاثية الانتشار . شكلت هذه الأجهزة والتقنيات أساس الدوائر المتكاملة الأولى؛ ومع ذلك، لا تزال العديد من مشكلات التصغير والتأثيرات الفيزيائية الكامنة جزءًا لا يتجزأ من تصميم الدوائر المتكاملة ، حتى بعد أربعة عقود من تطويرها. في هذه الأجيال الأولى من الدوائر المتكاملة، كان تباين العمليات والإنتاجية البارامترية يمثلان مشكلة - وهو موضوع سيعود ليظهر كعامل حاسم في تقنية الدوائر المتكاملة المستقبلية أيضًا.

شكّلت مشكلات التحكم في العمليات - سواءً للأجهزة الداخلية أو لجميع العناصر الطفيلية المرتبطة بها - تحدياتٍ جسيمة، ما استدعى تطوير مجموعة من النماذج الفيزيائية المتقدمة لمحاكاة العمليات والأجهزة. ابتداءً من أواخر الستينيات وحتى السبعينيات، كانت أساليب النمذجة المستخدمة تعتمد بشكل أساسي على المحاكيات أحادية وثنائية الأبعاد. وبينما أظهرت برامج التصميم بمساعدة الحاسوب (TCAD) في تلك الأجيال المبكرة إمكانات واعدة في معالجة التحديات الفيزيائية لتقنية ثنائية القطب، أحدثت قابلية التوسع الفائقة واستهلاك الطاقة المنخفض لتقنية MOS ثورةً في صناعة الدوائر المتكاملة. وبحلول منتصف الثمانينيات، أصبحت تقنية CMOS المحرك الرئيسي للإلكترونيات المتكاملة. ومع ذلك، مهدت هذه التطورات المبكرة في برامج TCAD [ 4 ] [ 5 ] الطريق لنموها وانتشارها الواسع كأداة أساسية ساهمت في تطوير التكنولوجيا خلال حقبتي VLSI وULSI اللتين تُشكلان الآن التيار السائد.

هيمنت تقنية MOS على تطوير الدوائر المتكاملة لأكثر من ربع قرن. في سبعينيات وثمانينيات القرن الماضي، حظيت تقنية NMOS بالأفضلية نظرًا لسرعتها ومساحتها، إلى جانب محدوديتها التقنية ومخاوف تتعلق بالعزل والتأثيرات الطفيلية وتعقيد عملية التصنيع. خلال تلك الحقبة التي هيمنت فيها تقنية NMOS على الدوائر المتكاملة واسعة النطاق ( LSI) وظهور تقنية VLSI، تم تدوين قوانين التوسع الأساسية لتقنية MOS وتطبيقها على نطاق واسع. [ 6 ] وفي هذه الفترة أيضًا، بلغت برامج تصميم الدوائر المتكاملة بمساعدة الحاسوب (TCAD) مرحلة النضج من حيث تحقيق نمذجة قوية للعمليات (أحادية البعد في الغالب)، والتي أصبحت فيما بعد أداة أساسية في تصميم التكنولوجيا، تُستخدم على نطاق واسع في جميع أنحاء الصناعة. [ 7 ] في الوقت نفسه، أصبحت محاكاة الأجهزة، ثنائية الأبعاد في الغالب نظرًا لطبيعة أجهزة MOS، الأداة الرئيسية التي يعتمد عليها التقنيون في تصميم الأجهزة وتوسيع نطاقها. [ ٨ ] [ ٩ ] أدى الانتقال من تقنية NMOS إلى تقنية CMOS إلى ضرورة وجود محاكيات ثنائية الأبعاد متكاملة تمامًا لمحاكاة العمليات والأجهزة. أصبح هذا الجيل الثالث من أدوات TCAD بالغ الأهمية لمعالجة التعقيد الكامل لتقنية CMOS ثنائية البئر (انظر الشكل ٣أ)، بما في ذلك مسائل قواعد التصميم والتأثيرات الطفيلية مثل ظاهرة التثبيت . [ ١٠ ] [ ١١ ] يُقدَّم عرض موجز لهذه الفترة، حتى منتصف الثمانينيات، في [ ١٢ ] ، ومن وجهة نظر كيفية استخدام أدوات TCAD في عملية التصميم، انظر [ ١٣ ] .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ C. Duvvury و A. Amerasekera، ESD: مصدر قلق موثوقية واسع الانتشار لتقنيات الدوائر المتكاملة ، وقائع IEEE، المجلد 81، الصفحات 690-702، 1993.
  2. ↑ أ. أميراسيكيرا و سي. دوفوري، التفريغ الكهروستاتيكي في الدوائر المتكاملة المصنوعة من السيليكون، الطبعة الثانية، نيويورك، جون وايلي وأولاده، 2002. ISBN 0-471-49871-8
  3. ↑ إس. دابرال وتي جيه مالوني، تصميم أساسيات الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي ووحدات الإدخال/الإخراج، نيويورك، جون وايلي وأولاده، 1998. ISBN 0-471-25359-6
  4. ↑ HJ DeMan و R. Mertens، SITCAP - برنامج محاكاة للترانزستورات ثنائية القطب لبرامج تحليل الدوائر بمساعدة الحاسوب، المؤتمر الدولي للدوائر المتكاملة الصلبة (ISSCC)، الملخص الفني، الصفحات 104-105، فبراير 1973.
  5. ↑ آر دبليو داتون ودي إيه أنطونياديس، محاكاة العمليات لتصميم الأجهزة والتحكم بهاالمؤتمر الدولي للدوائر المتكاملة الصلبة (ISSCC)، الملخص الفني، الصفحات 244-245، فبراير 1979
  6. ↑ RH Dennard, FH Gaensslen, HN Yu, VL Rodeout, E. Bassous and AR LeBlanc, تصميم MOSFETs المزروعة بالأيونات ذات الأبعاد الفيزيائية الصغيرة جدًا ، مجلة IEEE للدوائر المتكاملة، المجلد SC-9، الصفحات 256-268، أكتوبر 1974.
  7. ↑ RW Dutton و SE Hansen، نمذجة العمليات لتكنولوجيا أجهزة الدوائر المتكاملة ، وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، المجلد 69، العدد 10، الصفحات 1305-1320، أكتوبر 1981.
  8. ↑ PE Cottrell و EM Buturla، "محاكاة ثنائية الأبعاد ثابتة وعابرة لنقل حاملات الشحنة المتنقلة في أشباه الموصلات"، وقائع NASECODE I (التحليل العددي لأجهزة أشباه الموصلات)، ص 31-64، Boole Press، 1979.
  9. ↑ S. Selberherr , W. Fichtner, and HW Potzl, “Minimos – A program package to ease MOS device design and analysis,” Proceedings NASECODE I (Numerical Analysis of Semiconductor Devices), pp. 275–79, Boole Press, 1979.
  10. ↑ CS Rafferty, MR Pinto, and RW Dutton, Iterative methods in semiconductor device simulation , IEEE Trans. Elec. Dev., vol. ED-32, no.10, pp.2018–2027, October, 1985.
  11. ↑ MR Pinto و RW Dutton، تحليل دقيق لحالة التشغيل لـ CMOS latchup ، IEEE Electron Device Letters ، المجلد EDL-6، العدد 2، فبراير 1985.
  12. ↑ RW Dutton، النمذجة والمحاكاة لـ VLSI ، الاجتماع الدولي لأجهزة الإلكترونيات (IEDM)، الملخص الفني، الصفحات 2-7، ديسمبر 1986.
  13. ↑ كيه إم تشام، إس واي أوه، دي تشين، وجيه إل مول، التصميم بمساعدة الحاسوب وتطوير أجهزة VLSI، دار نشر كلوير الأكاديمية (KAP)، 1986. ISBN 0-89838-204-1
  • دليل أتمتة التصميم الإلكتروني للدوائر المتكاملة ، من تأليف لافاجنو ومارتن وشيفر، رقم ISBN 0-8493-3096-3دراسة استقصائية لمجال أتمتة التصميم الإلكتروني . تم استخلاص هذا الملخص (بإذن) من المجلد الثاني، الفصل 25، نمذجة الأجهزة - من الفيزياء إلى استخراج المعلمات الكهربائية ، بقلم روبرت دبليو داتون، وتشانغ هون تشوي، وإدوين سي كان.
  • RW Dutton و AJ Strojwas، وجهات نظر حول التكنولوجيا و CAD المدفوعة بالتكنولوجيا ، IEEE Trans. CAD-ICAS، المجلد 19، العدد 12، الصفحات  1544-1560، ديسمبر 2000.