научная статья по теме ОГРАНИЧЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДВУХФАЗНОЙ КМОП-ЛОГИКИ В СБОЕУСТОЙЧИВЫХ СУБ-100-НМ СБИС Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ОГРАНИЧЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДВУХФАЗНОЙ КМОП-ЛОГИКИ В СБОЕУСТОЙЧИВЫХ СУБ-100-НМ СБИС»

ВОЗДЕЙСТВИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ НА ИЗДЕЛИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

УДК 621.382+ 621.396.6

ОГРАНИЧЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДВУХФАЗНОЙ КМОП-ЛОГИКИ В СБОЕУСТОЙЧИВЫХ суб-100-нм СБИС

© 2014 г. В. Я. Стенин

НИИ системных исследований Российской АН Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" E-mail: vystenin@mephi.ru Поступила в редакцию 22.05.2013 г.

Сбоеустойчивость КМОП-инверторов с двухфазной структурой к воздействию отдельных ядерных частиц для инверторов с проектными нормами 65 и 45 нм зависит от емкостной связи их дифференциальных входов (выходов). Для оценки сбоеустойчивости предложена пороговая характеристика, которая связывает пороговые значения критических зарядов с соответствующими пороговыми значениями емкостей дифференциальной связи. При емкостях дифференциальной связи меньше пороговых значений критические заряды двухфазных КМОП-инверторов превышают более чем в 10 раз критические заряды традиционной КМОП-логики. Критические заряды имеют меньшие значения при воздействии импульсов тока с малыми постоянными времени нарастания и спада.

DOI: 10.7868/S0544126914020112

1. ВВЕДЕНИЕ

История КМОП-схемотехники с двухфазной организацией началась с ячеек памяти DICE [1, 2], которые обладают высокой сбоеустойчивостью к воздействиям отдельных ядерных частиц. Предложенная позже схема ячейки Quatro [3] также относится к ячейкам памяти с двухфазной организацией, но обладает худшей сбоеустойчивостью [4] в силу иных связей между элементами. Основой двухфазных логических КМОП-элементов является двухфазный КМОП-инвертор [5]. Ячейка памяти DICE является фактически двухфазным ^-триггером на двухфазных КМОП-инвер-торах с перекрестными связями их входов [4], а ячейка Quatro — двухфазным ^-триггером с прямыми связями входов инверторов [4], за счет этих связей и сбоеустойчивость ячеек Quatro хуже, чем ячеек памяти DICE. Сбоеустойчивость двухфазных КМОП-логических элементов обеспечивается их схемотехникой, позволяющей пространственно разнести на кристалле СБИС парные области, чувствительные к воздействию отдельных ядерных частиц [1, 4]. Элементы двух каналов взаимодействуют между собой таким образом, что, если синфазность изменения сигналов в симметричных узлах элементов нарушается, то такое состояние является ложным и передача такого состояния блокируется. Таким образом, действие помехи только на одно из дифференциальных плеч блокирует дальнейшую передачу помехи [6]. При проектных нормах менее 100 нм возрастает негативное влияние емкостных связей шин, соединя-

ющих дифференциальные выводы инверторов, на сбоеустойчивость двухфазных элементов [7]. Пороговые характеристики, которые связывают пороговые значения критических зарядов с соответствующими пороговыми значениями емкостей дифференциальной связи шин двухфазных КМОП-инверторов, позволяет дать оценку перспектив двухфазной логики для повышения сбое-устойчивости суб-100-нм КМОП СБИС к воздействию отдельных частиц.

2. СХЕМОТЕХНИКА ИНВЕРТОРОВ

На рис. 1 приведена схема цепочки обычных однофазных КМОП-инверторов, а на рис. 2 — схема цепочки из трех двухфазных КМОП-инверторов, каждый из которых состоит из двух симметричных фазовых частей — конверторов. Входы конверторов соединены перекрестно: затвор РМОП-транзисто-ра верхнего конвертора (см. рис. 2) соединен с затвором ^МОП-транзистора нижнего, а затвор ^МОП транзистора верхнего конвертора — с затвором РМОП-транзистора нижнего. Воздействие отдельной ядерной частицы как на однофазный инвертор (см. рис. 1), так и на конвертор К1.2 двухфазного КМОП-инвертора (см. рис. 2) имитируется импульсом фототока /Ф(0.

Возникающий при этом на выходном узле КМОП-инвертора и на выходном узле конвертора К1.2 импульс напряжения помехи иПОМ(?) действует на вход следующего (второго) инвертора; по достижению на выходе третьего инвертора

С)

и1

1

J

иИ.П

иПОМ(0 Вход

Л -- С

ВЫХ

иИ

И.П

р

Выход -1-

N

С

ВЫХ

1ф-инвертор 1 1ф-инвертор 2 1ф-инвертор 3

Рис. 1. Каскадное включение однофазных КМОП-инверторов.

2ф-инвертор 1

2ф-инвертор 2

2ф-инвертор 3

Рис. 2. Каскадное включение трех двухфазных КМОП-инверторов.

уровня 0.5 иИП фиксируется переключение состояния (сбой) второго инвертора в цепочке. Емкость выходного узла СВЫХ инвертора (конвертора) определяется суммой тех межэлектродных емкостей транзисторов, которые одним своим выводом соединены с этим узлом. Емкостные связи шин, соединяющих входы конверторов и двухфазные КМОП-инверторы между собой (см. рис. 2),

отражены емкостями СВ

ВХ.ДИФ и СВЫХ.ДИф.

3. ИМПУЛЬС ТОКА ДВУХЭКСПОНЕНЦИАЛЬНОЙ ФОРМЫ КАК ТЕСТОВЫЙ СИГНАЛ СРАВНЕНИЯ СБОЕУСТОЙЧИВОСТИ ЛОГИЧЕСКИХ КМОП-ЭЛЕМЕНТОВ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ

При воздействии отдельной ядерной частицы на однофазный КМОП-инвертор (см. рис. 1) или на конвертор двухфазного КМОП-инвертора (см. рис. 2) в кристалле СБИС возникает заряд неравновесных носителей, который собирается под

действием электрического поля обратно смещенного стокового ^-«-перехода закрытого КМОП-транзистора инвертора или конвертора.

Сравнительный анализ моделей сбора заряда в СБИС [8—10] под воздействием отдельных ядерных частиц отдает преимущество модели формирования фототока в виде импульса двухэкспонен-циальной формы, соответственно при анализе сбоеустойчивости инверторов как тестовое воздействие использован импульс тока /Ф(0, описываемый выражением

1ф(1) = 1ф.М|4ехр(—АСП) - ехр(—?Дн)], (1)

где /ФМ — амплитуда импульса тока; | = (1 — — тН/тСП)-1 — масштабный множитель; тН и тСП — постоянные времени, характеризующие нарастание и спад импульса тока.

Воздействие импульса тока приводит к изменению потенциала узла, на который оказывается воздействие, в результате формируется импульс напряжения помехи иПОМ(?). Изменение

Рис. 3. Импульсная реакция ^пом(0 на выходе КМОП-инвертора под воздействием импульса тока /ф(0 типа "Импульс 2.5 пс/5.0 пс" с амплитудой 1фм = 200 мкА. Жр = 180 нм, Wд = 150 нм.

напряжения выходного узла конвертора (инвертора) обусловлено увеличением тока стока открытого МОП-транзистора инвертора 1С за счет протекания через этот транзистор части фототока /Ф(0 и изменением заряда на емкости выходного узла инвертора (конвертора), подвергнутого воздействию: &с.ВЫХ.И(0 = иПОМ(0 =

= А&С.ВЫХ.И(0/СВЫХ.И.

На рис. 3 приведены графики импульсов тока /Ф(0 и помехи напряжения иПОМ(0 с обозначениями их основных параметров: амплитуд импульса тока Тф.М и напряжения помехи, а также момента достижения амплитудного (экстремального) зна-

чения импульса тока ?ЭКС/ относительно начала импульса тока и момента достижения амплитудного значения (экстремума) импульса напряжения помехи А?ЭКси относительно момента экстремума импульса тока.

В табл. 1 приведены аналитические выражения, описывающие связь параметров импульса тока и импульса напряжения помехи, а также выражения для импульса напряжения помехи иПОМ(0 и выражение для заряда бСБ(0, собранного от импульса тока за время t, где время I представлено в нормированном виде 9 = ?/?ЭКС/.

Таблица 1. Аналитические выражения, описывающие связь параметров импульса тока и импульса напряжения помехи

Параметр Формула

^Ф.М 1Ф.М = бИ^/тСП, где QИ - интегральный заряд; X = (тН/тСП)а, а = тН/(тСП - тН)

6сб(0 6сб(0 = Qи%СБ(в, Тн/тсп), где %сб(9, ТнДсп) = 1 - Хе[1 - (тнАсп)1 + е]/(1 - ТнДсп) - коэффициент сбора; 9 = t/tЭКСI - время, нормированное на ?ЭКС1

%КС./ ?ЭКС./ = [тн/(1 - тн/тсп)]1П(тсп/(тн)

Д^ЭКС.и Мэкс.р = [твых/(1 - Твых/тсп)]1п(тсп/(твых), где Твых = ^вых^вых, ^вых - выходное сопротивление узла (усредненное значение)

иПОМ.М ипОМ.М = ^вых1ф.м(твых/тсп)А(1 - тн/тсп) 1(1 - твых/тсп) - [(1 - тВЫХ/тСП)(тН/тСП) х х (тВЫХ/тСП)А/а - (1 - тН/тСП)(тВЫх/тН)(тВЫХ/тСП)(тН/тСП)а/А](1 - ^ВЫхЛнГ^ где а = тН/(тСП -— тнХ Ь = тВЫХ/(тСП - ТВЫХ)

иПОМ(0 иПОМ(0 = ^ВЫХ/Ф.МЙ[(1 - ^ВЫхАспГ^ХРМЛсП + (тН/тВЫХ)(1 - ^нЛвЫхГ^ХРМАН - (1 - - тн/тсп)(1 - твыхЛсп)-1(1 - ^нЛвыхГ^хрМЛвыхЛ

4. БАЛАНС ЗАРЯДОВ В МОМЕНТ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ИНВЕРТОРА В УЗЛЕ, ПОДВЕРГНУТОМ ВОЗДЕЙСТВИЮ ИМПУЛЬСА ФОТОТОКА

Баланс зарядов в момент времени I у выходного узла как однофазного КМОП-инвертора, так и выходного узла конвертора двухфазного КМОП-инвертора описывается выражением

6св(0 = &тр(0 + 0с.вых(о,

(2)

где бСБ(0 — заряд, собранный за время I; б/.ТР(0 — заряд, выведенный током стока открытого МОП транзистора во внешнюю цепь; бс.ВЫХ(0 — заряд, накопленный на емкости выходного узла.

Критический заряд переключения (критический сбой) является основой оценки сбоеустой-чивости логических элементов, это заряд бСБКР, собранный на момент переключения инвертора под действием амплитудном значения импульса

напряжения помехи, равного порогу переключения инвертора по входу Цпом.м = ^х.пер.

Пороговая характеристика бСБ.КР.ПОР(СДИФ.ПОР), которая вводится здесь для описания двухфазного КМОП-инвертора, задает связь пороговых значений критического заряда QСB КР.ПОР и емкости СДИФПОР; эта зависимость разделяет две области чувствительности двухфазных инверторов к воздействию отдельных ядерных частиц — высокой и низкой сбоеустойчивости. Пороговая характеристика QСB.кp.ПОР(CДиФ.ПОР) дает возможность провести сравнение двухфазного КМОП-элемента с однофазным. Далее используются обозначения критических и пороговых зарядов без индекса "СБ" — QКР

и QКEПОР.

С учетом баланса зарядов (2) и параметров импульсов тока (1) и напряжения помехи (см. табл. 1) можно получить выражения как для расчета критического заряда однофазного КМОП-инвертора:

&Р1Ф = 1С.НАС^/(ивХ.ПЕР1Ф)0ЭКС.и ¿ЭКС./ + СВЫХ.И1ФивХ.ПЕР1Ф, (3)

так и для расчета пороговой характеристики двухфазного инвертора под воздействием импульса фототока при условии Сдиф = Сдиф.пор:

&Р.ПОР = /С.НАСк1( ивХ.ПЕР2Ф)0ЭКС. и ¿ЭКС./ + СВЫХ.К2Ф кС.Н ивХ.ПЕР2ф. (4)

Чтобы получить зависимость QКР.ПОР от СДИФПОР, в (4) надо сделать следующую эквивалентную подстановку СВЫХ.К2Ф = СДИФ.ПОР/кС.ДИФ.ПОР:

QКР.ПОР = /С.НАС^/(ивХ.ПЕР2Ф) "ЭКС. и ¿ЭКС./ + СДИФ.ПОР (кс.н/кс .ДИФ.ПОР) ивХ.ПЕР2Ф- (5)

Выражения (3)—(5) являются функциями тока стока открытого МОП-транзистора инвертора (конвертора), емкости выходного узла и параметров импульса тока — постоя

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»