EŞİKALTINDA ÇALIŞAN CMOS OTA LARDA YORULMANIN MODELLENMESİ VE BİR UYGULAMA

Transkript

1 EŞİKLTIND ÇLIŞN COS OT LD YOULNIN ODELLENESİ E Bİ UYUL Yasin ÖZCELEP yten KUNTN Hakan KUNTN 3, İstanbul Üniversitesi,Elektrik-Elektronik ühendisliği Bölümü,3430, vcılar, İstanbul 3 Elektronik ve Haberleşme ühendisliği Bölümü Elektrik-Elektronik Fakültesi İstanbul Teknik Üniversitesi, 34469, aslak, İstanbul e-osta:ycele@istanbul.edu.tr e-osta: akuntman@istanbul.edu.tr 3 e-osta:kuntman@ehb.itu.edu.tr nahtar sözcükler: üvenirlik, Sıcak Taşıyıcı Kaynaklı Yorma,COS OT, kti Süzgeçler BSTCT COS circuits such as OTs (oerational transconductance amliiers) oerating in the subthreshold(weak inversion) region introduce a versatile solution or the realization o low-ower LSI building blocks. In this study, reliability analysis o symmetrical COS OT is investigated and a new model is roosed to modelling o hot carrier induced degaradation. First and second order OT-C ilters are examined or exosing the roosed model s advantage.. İİŞ Eleman güvenirliğinin belirlenmesi için yaılan yorma analizleri son yıllarda mühendislerin ilgisini çekmiştir []. üvenirlik analizinin en önemli avantajı bozulmanın belirlenmesi için incelenen erormans arametresinin(akım, gerilim, geçiş iletkenliği) bozulma mekanizmasının iziğiyle ilgili olmasıdır []. Elemanlar veya devrelerdeki bozulmaların değişik nedenleri olabilir. LSI devrelerinde devre hızının artırılması ve devrelerin kırmık üzerinde kaladıkları alanın azaltılması için yaılan boyut küçültme çalışmalarında karşılaşılan en büyük sorun sıcak taşıyıcı kaynaklı yorulma sorunudur. Besleme gerilimlerinin ve çalışma koşullarının değişmediği durumlarda transistor içindeki elektrik alanın artmasıyla istenilen çalışma koşullarından samalar görülür. Tranzistörde kalıcı hasarlar meydana gelir [4-5]. üvenilirlik çalışmaları için hızlandırılmış testler le elemanın yormadan nasıl etkilendiği ve ömrü incelenir. Hızlandırılmış testlerle çok daha kısa sürede elemanın yorma güvenirliği hakkında bilgi edinilebilir [3]. COS OT lar düşük güç gerektiren LSI devrelerinde kullanılırlar. Biyomedikal ve haberleşme alanında yaygın uygulamaları vardır. Daha önce yatığımız çalışmalarda deneysel bulgular gözönüne alınarak OT içinde yorulma oluşturacak tranzistörler benzetimle belirlenmişti [5]. Bu çalışmada; COS OT ların sıcak taşıyıcı kaynaklı yorulmadan nasıl etkilendikleri deneylerle incelenmiş ve bu yorulmaya modellemek üzere yeni bir model önerilmiştir. Önerilen modelin doğruluğu benzetim sonuçlarıyla desteklenmiştir.. LZEE ve YÖNTE üvenilirlik çalışmaları genelde elemanın tamamen bozulması veya elemanın çalışma erormansındaki % değişim gözönüne alınarak yürütülmektedir. OS LSI devrelerdeki güvenirlik roblemi elemanın çalışma erormansındaki % değişim gözönüne alınarak yürütülmektedir. Tümdevrelerde eleman güvenirliliği, devre güvenilirliği ve sistem güvenirliliği birbirini izlemelidir. Bir devrenin hatasız çalışabilmesi için tranzistorun en kötü çalışma durumu altında belirli bir süre boyunca, belirli bir sınır değerini aşmamasının sağlanması gerekir. Bu tür sınır değerlerinin belirlenmesi için güvenlik kriterleri oluşturulur. Teknolojinin geldiği nokta ve daha önceki çalışmalar göz önüne alındığında tranzistor ve OT için güvenilirlik kriteri %0 olarak alınmıştır. Ölçümler İ.T.Ü. Elektronik Bölümü Laboratuvarında gerçekleştirilmiştir. Dört saat boyunca yorma gerilimi uygulanmıştır. eriler 30 dakika aralıklarla kaydedilmiştir. OT yı yormak için Şekil. deki düzenek kurulmuştur. Deneylerde simetrik OT(Şekil ) kullanılmıştır. TÜBİTK taraından üretilmiş olan OT kanal genişlikleri 5 ile µm arasında

2 değişen ve kanal boyları 3µm olan ondört tansistör içermektedir. Oksit kalınlığı 450 dür [6]. OT ya laboratuvar şartlarında hızlandırılmış testlerin uygulanması OT nın karakteristik arametreleri (çıkış akımı,eğimi) incelenmesi Şekil : OT ölçüm düzeneği SPICE rogramıyla eleman içinde yorulan tranzistörler belirlenmesi Yorma sonuçlarını benzetimle elde edebilmek için önerilen model OT dan oluşmuş alçak süzgeç devrelerine yorma gerilimi uygulanması Önerilen modelle benzetim yaılması Deneysel bulgularla benzetim sonuçlarının karşılaştırılması Şekil : Ölçümlerde kullanılan OT nın iç yaısı Şekil 3:OT nın Yorulma çalışmaları için akış diyagramı Bu çalışmada deneyler ve benzetim için izlenen yol şematik olarak Şekil 3 teki akış diyagramında verilmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde TÜBİTK OT ları kullanılarak birinci dereceden ve ikinci dereceden alçak iki süzgeç devresi hazırlanarak yorulma davranışları ölçülmüştür.. Birinci ve ikinci dereceden alçak süzgeç yaıları sırasıyla Şekil 4 ve Şekil 5 te gösterilmiştir. Bir ve iki OT lı olarak tasarlanan süzgeçlerin transer onksiyonları ve kesim rekansları Tablo de verilmiştir. Şekil 4: Birinci dereceden alçak süzgeç

3 Ölçümler sonucunda yorma etkisiyle çıkış akımının %4. değiştiği görülmektedir [5]. Bu çalışmada OT dan oluşmuş süzgeçlerin sıcak taşıyıcı kaynaklı yorulmadan nasıl etkilendiklerini belirlemek amacıyla deneysel ölçümler yaılmıştır. Ölçümlerden elde edilen rekans eğrileri Şekil 7 ve Şekil 8 de görülmektedir. Şekil 5: İkinci dereceden alçak süzgeç Tablo : Süzgeçlerin transer onksiyonları ve kesim rekansları Transer Süzgeç Kesim rekansı onksiyonu lçak ( OT) s w m + w π C (db) lçak ( OT) s w m m w + s + w π CC Q rekans(hz.) Şekil 7: Birinci dereceden alçak süzgecin yorma öncesi ve yorma sonrası rekans eğrisi yorma öncesi(kesiksiz çizgi), yorma sonrası(kesikli çizgi) 3. BULUL Daha önceki çalışmalarda Şekil. deki OT ölçüm düzeneğinde örnek olarak iki OT ya yorma gerilimi uygulanmıştır. Eşikaltı bölgesinde çalışan OT nın yorma öncesi ve yorma sonrası I- eğrisi Şekil 6 da görülmektedir [5]. (db) rekans(hz.) Şekil 8: İkinci dereceden alçak süzgecin yorma öncesi ve yorma sonrası rekans eğrisi yorma öncesi(kesiksiz çizgi), yorma sonrası(kesikli çizgi) Şekil 6: OT nın çıkış akımı-giriş gerilimi eğrisi Kontrol gerilimi c-3 yorma öncesi (kesiksiz çizgi), yorma sonrası(kesikli çizgi) Bir OT lı alçak süzgecin yorma öncesi kesim rekansı 09.6 Hz. iken yorma sonrası 4.4 Hz. Olarak ölçülmüştür. Kesim rekansındaki değişim %4.4 olarak hesalanmıştır. İki OT lı alçak süzgecin yorma öncesi kesim rekansı 93 Hz. iken yorma sonrası 0.8 Hz. olarak ölçülmüştür. Kesim rekansında %4.6 oranında artış görülmüştür.

4 Sice rogramı yardımıyla eleman üzerinde yaılan analizden OT yaısı içindeki tüm tranzistörlerin sıcak taşıyıcı kaynaklı yormadan etkilenmedikleri görülmüştür. Yorulmanın tranzistörlerinde olduğu görülmüştür[4]. Benzetim bu tranzistörlerin yorulması dikkate alınarak yaılmış ve deneysel sonuca yakın sonuçlar elde edilmiştir. Δm ln lnt m ( t) ln( ) ln( t) İ B [ ] [ ln( ) 0.306] ( t) ln( B ) t + Bu çalışmada, sıcak taşıyıcı etkisini modellemek üzere, OT makromodeline[7] bazı ek elemanlar katılmıştır (Şekil 9). Lineer arakatlar ve Şekil 9 daki çıkış katındaki akım kaynağı ve çıkış dirençleriyle ( O ve O ) OT nın tüm geçiş iletkenliği ve açık devre gerilim kazancı simgelenmiştir. OT nın akım ve gerilim sınırlama davranışını göstermek için D -D diyotları, B - B gerilim kaynakları ve O kullanılmıştır. Bu model kullanılarak benzetimler yaılmıştır. Önerilen model kullanılarak yaılan benzetimlerde OT nın çıkış akımının giriş gerilimi ile değişimi Şekil 0 da verilmiştir. Birinci dereceden ve ikinci dereceden süzgeçlerin rekans karakteristiklerindeki değişimler ise sırasıyla Şekil ve Şekil de görülmektedir. Şekil 0: Kurulan model kullanılarak yaılan benzetimden elde edilen, çıkış akımının yorma öncesi ve yorma sonrası giriş gerilimi ile değişimi eğrisi Şekil 9: COS OT larda sıcak taşıyıcı kaynaklı yormayı göstermek için kullanılan model B [ k I ( W / L ] / I OX I Oİ BI O ( λ + λ ) BI P O n O N O O O B I OX O B IOIN O Şekildeki Δ /, (t) ve (t) sıcak taşıyıcı etkisini modellemek üzere makromodele eklenmişlerdir. D ) D Yaılan benzetim de yorma sonucu çıkış akımındaki değişim %4. olarak hesalanmıştır. Deneysel ölçüm sonucu benzetimle elde edilebildiğinden yukarıda önerilen model kullanılarak OT dan oluşmuş süzgeçlerin sıcak taşıyıcı kaynaklı yorulmadan nasıl etkilendikleri benzetimle incelenmiştir. Şekil : Kurulan model kullanılarak yaılan benzetimden elde edilmiş tek OT dan oluşmuş.dereceden alçak süzgecin yorma

5 öncesi(kesiksiz çizgi) ve yorma sonrası(kesikli çizgi) rekans eğrisi akımında artış olduğu gösterilmişti. Bu çalışmada OT dan oluşmuş devrelerin sıcak taşıyıcı kaynaklı yorulmadan nasıl etkilendiklerini incelemek için alçak süzgeç devreleri incelenmiştir. Süzgeçlerin kesim rekanslarının da sıcak taşıyıcı kaynaklı yorma nedeniyle değiştiği belirlenmiştir. Benzetim yamak amacıyla sıcak taşıyıcı kaynaklı yorulmayı modelleyebilecek yeni bir model önerilmiştir. Bu model kullanılarak benzetimler yaılmış ve benzetim sonuçlarının deneysel bulgulara yakın olduğu görülmüştür. Şekil : Kurulan model kullanılarak yaılan benzetimden elde edilmiş iki OT dan oluşmuş.dereceden alçak süzgecin yorma öncesi(kesiksiz çizgi) ve yorma sonrası(kesikli çizgi) rekans eğrisi Benzetim sonucu elde edilen rekans değişimleri Tablo de görülmektedir. Deneysel bulgulardaki yüzde değişim bir OTlı ve iki OTlı alçak süzgeç için %4.4 ve %4.6 olarak gözlemlenmişti. Benzetim sonuçlarına bakıldığında oldukça iyi bir uyum görülmektedir. Tablo : Filtrelerin yorma öncesi ve yorma sonrası kesim rekansları.dereceden alçak süzgeç.dereceden alçak süzgeç Yorma öncesi(hz.) Kesim Frekansı Yorma sonrası(hz.) Yüzde değişim(%) SONUÇ OTlar düşük güç tüketiminden dolayı biyomedikal ve haberleşme alanında özellikle tercih edilirler. Eşik altında çalışan OT nın çıkış KYNKL [] uangbin Y., ccelerated Lie Tests at Higher Usage ates, IEEE TNSCTIONS ON ELIBILITY, ol. 54, No., 53-57, arch 005. [] Zehua C., Shurong Z., Lietime Distribution Based Degradation nalysis, IEEE TNSCTIONS ON ELIBILITY, ol. 54, No., 3-0, arch 005. [3] Wayne B. N., Bibliograhy o ccelerated Test Plans, IEEE TNSCTIONS ON ELIBILITY, ol. 54, No.,94-97, June 005. [4] Özcele Y., Kuntman., Kuntman H., On The eliability o Symmetrical COS OT Oerating in Subthreshold egion, Proceedings o ELECON'06: The 3th IEEE editerranean Electrotechnical Conerence,.9-94, 6-9 ay 006, Benalmádena, álaga, Sain. [5] Özcele Y., Kuntman., Kuntman H., COS OT Eşik ltı Çalışma üvenilirliği, ELECO 004: Elektrik- Elektronik ve Bilgisayar ühendisliği Semozyumu, Bildiri Kitabı (Elektronik- Bilgisayar), s , EO Bursa Şubesi, 8- ralık 004, Bursa. [6] Düzenli., Kılıç Y., Kuntman H. and taman., On the design o low-requency ilters using COS OTs oerating in the subthreshold region, ICOELECTONICS JOUNL, ol.30, No.,.45-54, 999. [7] Kuntman H., Simle and accurate nonlinear OT macromodel or simulation o COS OT-C active ilters, INTENTIONL JOUNL OF ELECTONİCS, ol.77, No.6, , 994.