научная статья по теме ДВУХФАЗНЫЕ КМОП ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ С ПОВЫШЕННОЙ СБОЕУСТОЙЧИВОСТЬЮ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ДВУХФАЗНЫЕ КМОП ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ С ПОВЫШЕННОЙ СБОЕУСТОЙЧИВОСТЬЮ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2011, том 40, № 3, с. 170-183

СТОЙКОСТЬ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ

УДК 621.382+ 621.396.6

ДВУХФАЗНЫЕ КМОП ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ С ПОВЫШЕННОЙ СБОЕУСТОЙЧИВОСТЬЮ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОТДЕЛЬНЫХ

ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ

© 2011 г. С. И. Ольчев1, В. Я. Стенин1, 2

1НИИсистемных исследований Российской АН 2Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" E-mail: stenin@kaf3.mephi.ru; alfizik@yandex.ru Поступила в редакцию 03.08.2010 г.

Проведено исследование двухфазных субмикронных КМОП-логических элементов с проектной нормой 0.18 мкм, основанных на использовании двух симметричных каналов (фаз) передачи и преобразования сигнала. Основой двухфазной КМОП логики являются 2-транзисторные и 4-транзи-сторные КМОП-конверторы, на основе которых образуются двухфазные инверторы, элементы И-НЕ, D- и RS-триггеры. Лучшими по совокупности параметров, включая сбоеустойчивость к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц (по величине критического заряда переключения), размеры и быстродействие, являются двухфазные КМОП инверторы на 2-транзисторных конверторах с перекрестными связями их входов и элементы на их основе: элементы И-НЕ, D- и RS-триг-геры также с перекрестными связями образующих их элементов. Определены значения критических зарядов переключения (сбоя) элементов двухфазной КМОП логики при воздействии отдельных ядерных частиц, вызывающих токи ионизации с постоянными времени спада (диффузионная составляющая) от 0.3 нс до 2.0 нс.

1. ВВЕДЕНИЕ

Субмикронные КМОП СБИС, изготавливаемые по объемной КМОП- и КНИ КМОП-технологиям, широко используются в современной авиационной и космической электронике. КМОП СБИС с про-ектно-технологическими нормами менее 0.25 мкм имеют повышенную чувствительность к эффектам воздействия отдельных высокоэнергетических ядерных частиц, включая атмосферные нейтроны. Разработка таких СБИС требует применения специальных схемотехнических, топологических и конструктивных мер для повышения сбоеустойчивости [1]. Эти меры при проектировании специализированных статических или отдельных встраиваемых блоков КМОП ОЗУ [2] включают специальную схемотехнику ячеек памяти, использование контактов к подложке и n-карманам, охранные кольца, дополнительные ячейки памяти для контроля потери данных. Проектирование микропроцессорных СБИС, цифровых СБИС типа система на кристалле, а также управляющей логики субмикронных статических КМОП ОЗУ обычно происходит на основе традиционных КМОП логических элементов. Как сбо-еустойчивые предложены КМОП инверторы и элементы И-НЕ на основе 2-транзисторных [4] и 4-транзисторных [5] конверторов, а также двухпортовых структур с экранирующми транзисторами между выходами элементов [6]. Имеется опыт разработки и применения КМОП-ячеек памяти типа NASA [7] и DICE [8], которые фактически яв-

ляются вариантами Э-триггера на основе двухфазных КМОП-инверторов [9]. Опыт разработки этих структур подтверждает их потенциально повышенную сбоеустойчивость к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц, однако отсутствует сравнительный анализ элементной базы двухпортовой КМОП логики и обоснование эффективных решений.

Двухфазная логика представляет интерес как основа для разработки конструкций элементов субмикронных и суб-100нм цифровых СБИС с повышенной сбоеустойчивостью, поскольку дает возможность разработки топологических решений с разнесением на кристалле СБИС парных областей двухфазных элементов, чувствительных к воздействию ядерных частиц. Это существенно снижает вероятность сбоев и повысит защищенность и помехоустойчивость КМОП-логических узлов СБИС.

Задача повышения сбоеустойчивости заключается в минимизации последствий эффектов воздействия отдельных ядерных частиц. В случае схем комбинационной логики следует добиваться сохранения текущего состояния элемента или, как минимум, блокировки распространения индуцированного воздействием изменения состояния элемента, т.е. ограничения эффекта воздействия только одним элементом.

Вход 1

и

иип

ип

Вход 1

Р1

Выход

J -< N1

Вход 2

Вход 2

(а)

Р,

Р2

Выход

N2

1

1

2

N1

(б)

(в)

Рис. 1. Двухпортовые КМОП-конверторы НЕ: 2-транзисторный (а); 4-транзисторный (б); условное графическое обозначение двухпортовых конверторов НЕ (в).

2. ДВУХПОРТОВЫЕ КОНВЕРТОРЫ - ОСНОВА ДВУХФАЗНЫХ ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ С ПОВЫШЕНОЙ СБОЕУСТОЙЧИВОСТЬЮ

Можно выделить два метода повышения сбое-устойчивости элементов комбинационной логики схемотехническими средствами:

1) введение элементов и связей, блокирующее дальнейшее распространение ложного состояния элемента (сбоя);

2) экранирование (с использованием транзисторов) чувствительных областей элемента для снижения эффектов воздействия частиц.

Как основа элементов с изменением характера работы элемента при сбое является двухфазная организация инверторов, основанная на использовании двух симметричных параллельных каналов (фаз). Информационной составляющей является синфазная составляющая двух сигналов, а дифференциальная - должна блокировать элемент и не изменять состояние следующих элементов.

Как основа структур КМОП двухфазных элементов комбинационной логики в данной работе приняты 2- и 4-транзисторные элементы с двумя входами—двухпортовые конверторы НЕ, схемы которых приведены на рис. 1.

На рис. 1 приведены: схема двухпортового 2-тран-зисторного конвертора 2Т КМОП (см. рис. 1а) и схема двухпортового 4-транзисторного конвертора — 4Т КМОП (см. рис. 1б). Схемы 4-транзисторных конверторов образованы взаимно экранирующими структурами на основе двух встроенных друг в друга 2-транзисторных КМОП-инверторов. На рис. 1в приведено условное графическое обозначение двухпортового конвертора НЕ, преобразующего двухфазный входной сигнал в однофазный выходной.

На рис. 2 приведены эскизы топологии 2-транзи-сторного конвертора 2Т КМОП и 4-транзисторного

конвертора 4Т КМОП. В конструкции конверторов 4Т КМОП между двумя NМОП-транзисторами и аналогично между двумя РМОП-транзисторами нет выводов транзисторов для внешних связей с другими элементами и соответственно нет необходимости изготовления контактов к этим областям транзисторов (см. рис. 2б), поэтому площадь 4-транзисторных конверторов 4Т КМОП оказывается не в 2 раза, а в 1.2 раза больше, чем площадь 2-транзисторного конвертора 2Т КМОП.

На рис. 3 приведены зависимости изменения выходного напряжения Лвых 2-транзисторного конвертора 2Т КМОП от суммы напряжений на его входах ивх1 + ивх2. Зависимость на рис. 3а соответствует переключательной характеристике 2-транзи-сторного конвертора 2Т КМОП на двух этапах:

1) при ивх1 = 0 В зависимость Лвых от изменения ивх2 в пределах от 0 В до 1.8 В и 2) при ивх2 = 1.8 В дальнейшее изменение Лвых в зависимости от изменения ивх1 от 0 В до ивх1 = 1.8 В. Характеристике на рис. 3а свойственен значительный диапазон входных напряжений, при которых оба транзистора конвертора оказываются открытыми и протекает сквозной ток, эта область на рис. 3а в диапазоне от 0.5 В до 3.0 В.

Зависимость на рис. 3б описывает другую характеристику 2-транзисторного конвертора 2Т КМОП на двух этапах: 1) при Лвх2 = 0 В зависимость Лвых от изменения Лвх1 в пределах от 0 В до Лвх1 = 1.8 В и

2) при ивх1 = 1.8 В дальнейшее изменение Лвых в зависимости от изменения ивх2 от 0 В до ивх2 = 1.8 В. Зависимости на рис. 3б свойственен незначительный диапазон входных напряжений, при которых оба транзистора конвертора оказываются закрытыми, эта область характеристики на рис. 3б в диапазоне приблизительно от 1.7 В до 1.85 В. Зависимости, представленные на рис. 3 рассчитаны в симуляторе

2.2 мкм

2.6 мкм

n--Карман

Вход 1 [

Вход 2 I

HI

Шина питания

Транзистор Р1

Выход

6

Транзистор N1

Общая шина

n-Карман

Вход 1

Вход 2

Шина питания

Транзистор Р1 и Р2

Выход

Транзистор N1 и N2

Общая шина

6

(а) (б)

Рис. 2. Эскиз топологии 2-транзисторного конвертора 2Т КМОП (а) и 4-транзисторного конвертора 4Т КМОП (б).

(а)

В

0.6 1.2

UBx! = 0 В

1.8

I

2.4 3.0 3.6

UBx2 = 1.8 В

ивх1 + ивх2, В

В

0.6 1.2

Цх1 = 0 В

1.8 I

2.4 3.0 3.6

ивх2 = 18 В

ивх1 + ивх2, В

Рис. 3. Переключательные характеристики 2-транзисторного конвертора 2Т КМОП при различной последовательности изменения напряжений на его входах и разных их начальных значениях: (а) при изменении ивх2 от 0 В до 1.8 В, а затем ивх1 от 0 В до 1.8 В; (б) при изменении ивх1 от 0 В до ивх1 = 1.8 В, а затем ивх2 от 0 В до 1.8 В.

0

0

Spectre САПР Cadence для структур КМОП конверторов, спроектированных для объемной КМОП технологии с проектной нормой 0.18 мкм.

Переключательные характеристики 4-транзи-сторных конверторов 4Т КМОП имеют характер зависимости, представленной на рис. 3б.

3. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ

В данной работе моделирование характеристик и определение параметров инверторов, элементов И-НЕ и триггеров производилось в симуляторе Spectre САПР Cadence для структур, изготавливаемых по объемной КМОП технологии с проектной нормой 0.18 мкм. Определялся статический ток потребления, время переключения, значение крити-

ческого заряда, вызывающего переключение элемента при номинальном напряжении питания 1.8 В и температуре +25°C.

1) Оценка расчетными методами уровня сбое-устойчивости элементов СБИС к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц проводится обычно по значениям критического заряда переключения элемента [2, 10]. Знание критического заряда дает возможность качественного сравнения сбое-устойчивости элементов; корректные же количественные оценки сбоеустойчивости элементов и СБИС в целом проводятся по значениям пороговой энергии возникновения эффекта и сечения насыщения эффекта [10], достоверные значения которых определяются экспериментально на моделирующих установках — источниках излучения.

Критический заряд переключения вычислялся как заряд, перенесенный импульсом тока, подаваемого в чувствительную область элемента, и приводящий к переключению элемента в другое состояние. Такими чувствительными областями элементов являются обратно смещенные стоковые области р-п-переходов закрытых МОП-транзисторов. Значения критического заряда, приведе

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»