NMOS晶体管电荷共享导致的SRAM单元单粒子翻转恢复效应研究

基于Synopsys公司的三维器件模拟软件TCAD,本文研究了NMOS晶体管电荷共享导致SRAM单元的单粒子翻转恢复(SEUR)效应。分析了NMOS晶体管电荷共享导致SEUR效应的物理机制,系统研究了NMOS晶体管偏置(如电源电压、P阱偏置电压)和工艺参数(如P+深阱掺杂浓度、P阱接触距离)对线性能量传输翻转恢复阈值(LETrec)以及单粒子翻转脉冲宽度(PWrec)的影响。研究发现:PWrec随着电源电压的增大而增大;PWrec和LETrec随着P阱偏置电压的增大而减小;LETrec随着P+深阱掺杂浓度的增大而增大;PWrec随着P阱接触与NMOS晶体管之间距离的增大而增大,而LETrec随着P阱接触与NMOS晶体管之间距离增大而减小。本文研究结论有助于优化SRAM单元抗单粒子效应设计,尤其是基于SEUR效应的SRAM单元的抗辐照加固设计提供了理论指导。

90纳米CMOS双阱工艺下STI深度对电荷共享的影响

基于3维TCAD器件模拟,研究了90nm CMOS双阱工艺下STI对电荷共享的影响。研究结果表明:增大STI深度能有效抑制NMOS电荷共享,且550nm为抑制电荷共享的有效深度,超过这个深度收集的电荷量几乎保持不变;而对于PMOS,STI深度的增加使电荷共享线性减小。这对于电荷共享加固具有重要指导意义。

一个有利于消除电荷共享的新型电荷泵(英文)

为了消除电荷泵的电荷共享效应,通过在发生电荷共享的节点预置一个特定的电压,设计出了一个适用于频率合成器的新型电荷泵。在Chartered公司0.18 RF CMOS工艺条件下,HSPICE的仿真结果表明,这一新型电荷泵与传统的相比,很好地抑制了电荷共享效应,具有很低的输出纹波,在高性能频率合成器中具有良好的应用前景。

130nm NMOS器件的单粒子辐射电荷共享效应

研究了同一p阱内两个130nm NMOS器件在受到重离子辐射后产生的电荷共享效应。使用TCAD仿真构造并校准了130nm NMOS管。研究了在有无p+保护环结构及不同器件间距下,处于截止态的NMOS晶体管之间的电荷共享,给出了电荷共享效应与SET脉冲电流产生的机理。同时分析了NMOS晶体管中的寄生双极管效应对反偏漏体结电荷收集的加剧作用。仿真结果表明,p+保护环可以有效地减小NMOS器件间的电荷共享,加速SET脉冲电流的泄放,证实了p+保护环对器件抗单粒子辐射的有效性,从而给出了该方法在抗单粒子辐射器件版图设计中的可行性。

粒子入射条件对28 nm SRAM单元单粒子电荷共享效应影响的TCAD仿真研究

利用器件仿真工具TCAD,建立28nm体硅工艺器件的三维模型,研究了粒子入射条件和器件间距等因素对28nm体硅工艺器件单粒子效应电荷共享的影响规律。结果表明,粒子LET值增大、入射角度的增大、器件间距的减小和浅槽隔离(STI)深度的减少都会增加相邻器件的电荷收集,增强电荷共享效应,影响器件敏感节点产生的瞬态电流大小;SRAM单元内不同敏感节点的翻转阈值不同,粒子LET值和入射角度的改变会对SRAM单元的单粒子翻转造成影响;LET值和粒子入射位置变化时,多个SRAM单元发生的单粒子多位翻转的位数和位置也会变化。

电荷共享效应的RESURF横向功率器件击穿电压模型

分析降低表面场(reduced surface field,RESURF)横向功率器件耐压机理,假定共享区电荷沿对角线分配给横向和纵向耗尽区,建立了一个新的RESURF横向功率器件击穿电压模型.该模型能准确描述漂移区全耗尽和不全耗尽情况下的耐压特性,并具有数学表达式简单以及物理概念清晰的优点.在此基础上,导出了一个新的RESURF判据,进而给出了一个用于指导器件设计的漂移区剂量上下限.解析结果与实验结果吻合较好,验证了击穿电压模型和RESURF判据的正确性.

基于预充电和双采样技术的S/H电荷共享消除技术

针对开关电容采样/保持(S/H)电路中由负载电容记忆效应引起的电荷共享问题进行了建模.电荷共享效应会导致运放建立幅度增加,根据所推导的运放建立总公式,得出建立幅度增加会增大对运放功耗和带宽要求,或者降低建立速度.为改善该现象,基于预充电思想和双采样技术提出了一种优化方案,能在保持原S/H电路速度不变时,消除电荷共享效应对运放功耗和带宽的额外要求.仿真实现的12位100Msps双采样/保持电路证明了其有效性.

一种新型低电荷共享电荷泵电路

采用GSMC0.18μm工艺设计了性能优良的电荷泵,与传统电荷泵相比,此电荷泵具有低失配(mismatch≤2%)、低功耗(≤0.15mw)、低电荷共享的特点,可广泛应用于电荷泵锁相环(CPPLL)中。

一种基于双钳位技术的宽范围高精度电流匹配电荷泵设计

基于TSMC 65 nm CMOS工艺,设计了一款基于双钳位技术,实现在宽电压范围下,满足高精度电流匹配电荷泵电路。双钳位技术可以避免使用轨对轨运放所带来的电路结构复杂化的问题,并且通过增加调节开关管和互补开关计数,有效地优化电荷共享、时钟馈通以及电荷注入等非理性效应对电路的影响。仿真结果表明,与传统电荷泵电路相比,在电源电压为1.2 V、电荷泵电流为50μA时,双钳位电荷泵电路的电流匹配度在0.2~1.0 V范围内可以保持在0.03%以内。

带有n+深阱的三阱CMoS工艺中寄生NPN双极效应及其对电荷共享的影响

基于三维TCAD器件模拟,研究了带有n^+深阱的90 nm三阱CMOS器件在重离子辐照下产生的电荷共享效应.研究结果表明在重离子辐照时,n^+深阱会导致寄生的NPN双极型晶体管触发,显著增强NMOS间的电荷共享,其放大因子达到双阱工艺中寄生PNP晶体管放大因子的2—4倍.进而分别研究了n阱接触和P阱接触对寄生NPN双极放大的影响,结果表明增大P阱接触的面积和减小n阱接触的距离将抑制NPN晶体管的放大作用,而增大n阱接触的面积将增强NPN的放大作用.

p型金属氧化物半导体场效应晶体管界面态的积累对单粒子电荷共享收集的影响

由于负偏置温度不稳定性和热载流子注入,p型金属氧化物半导体场效应晶体管(pMOSFET)将在工作中不断退化,而其SiO2/Si界面处界面态的积累是导致其退化的主要原因之一.采用三维器件数值模拟方法,基于130nm体硅工艺,研究了界面态的积累对相邻pMOSFET之间单粒子电荷共享收集的影响.研究发现,随着pMOSFETSiO2/Si界面处界面态的积累,相邻pMOSFET漏端的单粒子电荷共享收集量均减少.还研究了界面态的积累对相邻反相器中单粒子电荷共享收集所导致的多瞬态脉冲的影响.研究发现,随着pMOSFETSiO2/Si界面处界面态的积累,pMOSFET之间电荷共享收集所导致的多瞬态脉冲压缩,而n型金属氧化物半导体场效应晶体管之间电荷共享收集所导致的多瞬态脉冲展宽.

90nm CMOS工艺下p^+深阱掺杂浓度对电荷共享的影响

基于3维TCAD器件模拟,研究了90nmCMOS双阱工艺下p+深阱掺杂对电荷共享的影响.研究结果表明:改变p+深阱的掺杂浓度对PMOS管之间的电荷共享的影响要远大于NMOS管;通过增加p+深阱的掺杂浓度可以有效抑制PMOS管之间的电荷共享.这一结论可用于指导电荷共享的加固.

一种宽输出范围低电流失配电荷泵设计

该文提出了一种用于锁相环的宽输出范围低电流失配的电荷泵电路。电路中引入负反馈回路,对电荷泵放电电流进行补偿,实现了充放电电流动态匹配,降低了电荷泵的电流失配率;采用低压偏置共源共栅电流镜代替传统电流镜,在降低输出电流变化量的同时保证了较大的电压输出范围;利用电压跟随技术消除了电荷共享效应。该电路基于0.18μm CMOS工艺进行设计,使用软件完成电路仿真验证。结果表明,在电源电压为1.8 V时,电荷泵的输出电流为10μA,输出电压在0.2~1.5 V的范围内,最大电流失配率为0.12%。

基于优化模型的纳米器件逻辑单元单粒子瞬态仿真研究

空间辐射诱发的单粒子瞬态(SET)是航天电子系统可靠性的主要威胁。本文分析了现有电荷注入仿真模型的不足,提出了一种改进的结合灵敏体和双极扩散机制的电荷收集模型,综合考虑了寄生双极放大效应和电荷共享效应,可针对不同角度、不同线性能量传输值(LET)的重离子入射版图不同位置,计算获取SET平均脉宽及敏感截面分布。该方法已集成于项目组自研TREES软件,并针对商用65 nm工艺库中的多种逻辑单元开展了相关仿真计算。结果表明,该方法可在物理版图设计阶段评估单粒子瞬态截面及脉宽分布,为版图屏蔽SET设计加固提供基础参考数据。

基于常数跨导轨到轨运算放大器的新型电荷泵

针对传统电荷泵电荷共享引起的输出电压波动、充放电电流失配引起的电路杂波问题,设计了一种新型电荷泵。该电荷泵电路采用常数跨导轨到轨运算放大器,降低了电荷共享引起的输出电压波动;采用基于全差分放大器的负反馈结构,解决了充放电电流失配的问题。基于SMIC0.18μm CMOS工艺,利用Cadence软件完成了电路的设计与仿真。结果表明,在0.5~1.5V输出电压范围内,该电荷泵充放电电流失配小于2%;与传统电荷泵相比,该电荷泵输出电压的波动减小了1.5mV,并且采用该电荷泵的锁相环输出频谱噪声减小了10dB。

一种应用于CMOS电荷泵锁相环中的新型电荷泵

电荷泵是CMOS电荷泵锁相环中的一个重要模块,其性能直接决定了整个锁相环系统的工作稳定性和各项指标的好坏,但传统结构的电荷泵却存在电荷共享、电流失配、电荷注入以及时钟馈通等问题。本设计为一种利用可调节共源共栅结构的差分输入单端输出电荷泵,采用TSMC 0.18μm RF CMOS工艺,利用Agilent公司推出的系统分析软件ADS(Advanced Design System)完成对电路的仿真。仿真结果表明该CMOS电荷泵具有相位噪声小,输出电流平滑,输出电压谐波分量低,开关延迟小等优良特性,在电荷泵输出电压范围为0.7～2.4V内,充放电电流匹配良好。

基于55 nm DICE结构的单粒子翻转效应模拟研究

单粒子翻转(single event upset,SEU)是器件在辐照空间中应用的关键难题,本文以55 nm加固锁存单元为研究载体,通过三维数值模拟方法,获得了重离子不同入射条件下的线性能量转移(linear energy transfer,LET)阈值和电压脉冲变化曲线,研究了双互锁存储单元(dual interlockded storage cell,DICE)的抗辐照性能和其在不同入射条件下的SEU效应.研究表明,低LET值的粒子以小倾斜角入射器件时,降低了器件间的总电荷收集量,使得主器件节点的电压峰值和电压脉宽最小,器件SEU敏感性最低;由于空穴与电子迁移率的差异,导致DICE锁存器中Nhit的入射角敏感性远大于Phit;合理调节晶体管间距可以削弱电荷共享效应,使得从器件总电荷收集量减小,仿真计算得到此工艺下晶体管间距不能小于1.2μm.相关仿真结果可为DICE锁存单元单粒子效应的物理机制研究和加固技术提供理论依据和数据支持,有助于加快存储器件在宇航领域的应用步伐.

一种新型锁相环电荷泵的分析与设计

在分析传统电荷泵的一些不理想因素的基础上,提出一种新型的电路结构,以解决电荷泵的电流失配、电荷共享、电荷注入现象。本设计电路结构简单,电流匹配好,输出电压稳定。基于65nm CMOS工艺仿真结果表明:电荷泵充放电电流大小基本相等,环路稳定后输出电压Vc最大起伏为20μV。

一种应用于CMOS锁相环的电荷泵设计

电荷泵是CMOS锁相环中的一个重要模块,其性能决定了整个锁相环系统的工作稳定性和各项指标的优劣。针对传统结构电荷泵存在的电荷共享、电流失配等问题,文章设计了一个基准电压源的电荷泵电路,外接一个2pF的负载电容,用于将电流转化为电压。该电路基于SMIC 0.13μm CMOS工艺库,使用Cadence完成整体电路的仿真。仿真结果表明,该CMOS电荷泵具有输出电压平滑、充放电电流匹配等优良特性,很好地抑制了电荷共享、电流失配等寄生效应。该电荷泵应用在锁相环中,能实现快速锁定。

脉冲窄化型抗辐射静态存储器单元加固结构

为减小单粒子电荷共享效应对纳米量级静态存储器单元的影响,提出了一种基于双互锁冗余加固(dual interlocked storage cell, DICE)静态随机存储器(static random access memory, SRAM)单元的新型布局结构。该结构融入了脉冲窄化技术,并与传统的DICE存储单元进行了比较,能有效减小面积开销,提升单元电路综合性能,且不需考虑敏感节点之间的间距。测试电路用65 nm体硅CMOS工艺进行流片,辐照实验在中国原子能科学研究院抗辐射技术应用创新中心进行。实验结果表明,新型SRAM存储单元结构单粒子翻转线性能量转移阈值为15 MeV·cm2·mg-1,能够满足低轨道航天产品的应用需求。