Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

FORMALIZATION MODELING TECHNIQUES TO THE DESIGN OF COMPONENTS CAD SYNTHESIS ELEMENTS VIRTUAL REALITY

Lavlinskiy V.V. 1 Zhvad A.K. 1 Savchenko A.L. 2
1 Federal State Budget Educational Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies by named G.F. Morozov»
2 The Open join-stock company «Scientifically exploratory institute of the micro electronic equipment «Progress» (OAO NIIMA «Progress»)
В данной работе предложены методы проектирования МОП-транзисторов на основе формирования 3D моделей с использованием синтеза виртуальной реальности. 3D модели формируются на основе использования индексов Миллера с учётом ориентации атомных плоскостей в трёхмерном пространстве. 3D модели МОП-транзисторов формируются на компоненте Draw3D объектно-ориентированного языка программирования CodeGear RAD Studio 2009 в виде отдельных слоёв. Каждый слой МОП-транзистора в 3D модели представлен на основе математической модели для кубической сингонии ячеек в кристаллической решётке соответствующего материала. Основой формирования слоя служат параметры кристаллической решётки в виде радиуса атома и периода самой кристаллической решётки конкретного материала МОП-транзистора. Результаты работы представлены в виде различных геометрических размеров МОП-транзисторов на уровне отдельных кристаллических решёток для формирования подложки, канала, базы, эмиттера и коллектора. Транзисторы представлены в виде отдельных слоёв материалов, каждый из которых отображается различным цветом, диаметром ядра ячеек, периодом кристаллической решётки.
In this paper we propose design techniques for MOS transistors based on forming 3D models using the methods of the syntheses to virtual reality. 3D models are generated through the use of Miller indices according to the oriented of the atomic planes in three-dimensional space. The 3D model of the MOS transistors are formed on a component Draw3D object-oriented programming language CodeGear RAD Studio 2009 in the form of separate layers. Each layer of the MOS transistor in the 3D model presented on the basis of a mathematical model for the cubic system of cells in the crystal lattice of the corresponding material. The basis for the formation of the layer are parameters of the crystal lattice in the form of the atomic radius and the lattice period of the particular material of the MOS transistor. The results are presented in the form of various geometrical sizes of the MOS transistors at the level of individual crystal lattices to form the substrate, channel, base, emitter and collector. Transistors represented in the form of separate layers of materials, each of which displays a different color, the diameter of the nucleus of cells, a period of the crystal lattice.
CAD
synthesis of virtual reality
mos transistors
1. Lavlinskij V.V. Analiz jacheek kristallicheskih reshjotok poluprovodnikovyh materialov dlja sinteza virtualnoj realnosti pri proektirovanii radiacionno-stojkih jelementov jelektronnoj komponentnoj bazy // Modelirovanie sistem i processov. 2013. no. 4. рр. 44–53.
2. Lavlinskij V.V. Informacionnoe obespechenie sinteza virtualnoj realnosti v uslovijah nechjotkogo predstavlenija kontroliruemyh parametrov pri proektirovanii informacionnyh obektov ASTPP / V.V. Lavlinskij, E.E. Obruchnikova, Ju.S. Serbulov // Politematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gos. agrarnogo un-ta. 2012. no. 76. рр. 410–421.
3. Lavlinskij V.V. Osnova metoda proektirovanija informacionnyh ob#ektov avtomatizacii dlja sistem tehnologicheskoj podgotovki proizvodstva na osnove sinteza virtualnoj realnosti v uslovijah nechjotkogo predstavlenija parametrov / V.V. Lavlinskij, E.E. Obruchnikova, Ju.S. Serbulov // Vestnik Voronezh. gos. tehn. un-ta. 2010. T.6. no. 11. рр. 192–198.
4. Lavlinskij V. V. Programmnaja realizacija modelej dlja sinteza virtualnoj realnosti ASTPP dlja uslovij nechjotkogo predstavlenija kontroliruemyh parametrov pri proektirovanii sistem / V.V. Lavlinskij, E.E. Obruchnikova // Vestnik Voronezh. in-ta vysokih tehnologij. 2009. –no. 5. рр. 184–187.
5. Lavlinskij V.V. Proektirovanie razlichnyh slojov kristallicheskoj reshjotki jelementov s ispolzovaniem metodov ob#ektno-orientirovannogo programmirovanija / V.V. Lavlinskij, S.I. Lykov, A.S. Aushra // Modelirovanie sistem i processov. 2014. no. 2. рр. 16–19.
6. Lavlinskij V.V. Teoreticheskie osnovy modelirovanija proektiruemyh obektov jelektronnoj komponentnoj bazy dlja sinteza virtualnoj realnosti v vide vozdejstvij tjazhjolymi jadernymi chasticami // Voprosy atomnoj nauki i tehniki. Serija: Fizika radiacionnogo vozdejstvija na radiojelektronnuju apparaturu. 2014. no. 4. рр. 24–32.
7. Lavlinskij V.V. Teoreticheskie issledovanija modelirovanija proektiruemyh ob#ektov jelektronnoj komponentnoj bazy dlja sinteza virtualnoj realnosti pri vozdejstvii tjazhjolymi zarjazhennymi chasticami // Voprosy atomnoj nauki i tehniki. Serija: Fizika radiacionnogo vozdejstvija na radiojelektronnuju apparaturu. 2014. no. 4. рр. 33–35.
8. Lavlinskij V.V. Teoreticheskie osnovy modelirovanija komponentov dlja sistem avtomatizacii proektirovanija jelektronnoj bazy na osnove sinteza virtualnoj realnosti // Modelirovanie sistem i processov. 2013. no. 3. рр. 16–20.
9. Lavlinskij V.V. Teoreticheskie osnovy modelirovanija proektiruemyh obektov jelektronnoj komponentnoj bazy dlja sinteza virtualnoj realnosti v vide vozdejstvij tjazhjolymi zarjazhennymi chasticami // Modelirovanie sistem i processov. 2013. no. 3. рр. 20–25.
10. Lavlinskij V.V. Sovremennoe proektirovanie jelektronnoj komponentnoj bazy / K.V. Zolnikov, V.V. Lavlinskij // Jekonomika. Innovacii. Upravlenie kachestvom. 2015. no. 1 (10). рр. 40–41.
11. Lavlinskij V.V. Analiz funkcionalnyh vozmozhnostej SAPR Microcap na primere shemy MOP-tranzistora / V.V. Lavlinskij, A.H.H. Zhvad // Modelirovanie sistem i processov. 2014. no. 1. рр. 30–37.
12. Lavlinskij V.V. Analiz funkcionalnyh vozmozhnostej SAPR SIMETRIX na primere shemy MOP-tranzistora / V.V. Lavlinskij, A.H.H. Zhvad // Modelirovanie sistem i processov. 2014. no. 1. рр. 38–43.
13. Lavlinskij V.V. Analiz funkcionalnyh vozmozhnostej SAPR WORKBENCH na primere shemy MOP-tranzistora / V.V. Lavlinskij, A.H.H. Zhvad // Modelirovanie sistem i processov. 2014. no. 1. рр. 43–54.
14. Lavlinskij V.V. Formalizacija metodov modelirovanija dlja razrabotki komponentov SAPR s jelementami sinteza virtualnoj realnosti / V.V. Lavlinskij, A.H. Zhvad, A.L. Savchenko // Sovremennye problemy nauki i obrazovanija. 2015. no. 2; URL: http://www.science-education.ru/129-23006.

В настоящее время основой использования методов синтеза виртуальной реальности для проектирования МОП-транзисторов являются процессы и методы формирования 3D моделей в виде структурных решёток материалов тех слоёв, из которых формируются транзисторы, а также определение связей между параметрами материалов с электрическими параметрами электронной компонентной базы [1–14].

Поэтому целью исследования являются модели МОП-транзисторов для САПР на основе применения методов синтеза виртуальной реальности в виде отдельных слоёв.

Ввиду этого для построения 3D моделей любых проектируемых транзисторов необходимо опираться на особенности их структур. Так, например, имеются следующие структуры транзисторов: биполярные, планарные, КНИ или КНС, полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом, полевые транзисторы с изолированным затвором и с индуцированным каналом, полевые транзисторы с изолированным затвором и со встроенным каналом. Структуры МОП-транзисторов обладают характеристиками, позволяющими создавать электронную компонентную базу с широкими возможностями по мощности. К ним относятся структуры: n-МОП КНД (кристалл на диэлектрике) – транзисторы и МОП-транзисторы (рис. 1). В связи с этим данная статья посвящена моделированию именно таких транзисторов.

pic_40.tif pic_41.tif

а б

Рис. 1. Структуры транзисторов: а – n-МОП КНД; б – МОП

Опираясь на исследования в работах [1–14], видим, что для 3D моделирования необходимо знать геометрические параметры транзисторов, материалы отдельных слоев транзисторов, связь геометрических и электрических параметров транзисторов.

Каждый из материалов МОП-транзистора имеет свою структуру кристаллической решётки. К ним относятся: модель элементарной ячейки триклинной сингонии; модель элементарной ячейки моноклинной сингонии; модель элементарной ячейки орторомбической сингонии; модель элементарной ячейки тетрагональной сингонии; модель элементарной ячейки кубической сингонии; модель элементарной ячейки гексагональной сингонии. Из данных моделей видно, что основой задания кристаллических решёток являются длина (а), ширина (b) и высота (c) ячейки. Кроме того, расположения атомов кристаллической решётки определяются углами альфа (a) между ребром а и с, бета (b) между углом b и с, и гамма (g) между а и b.

Следовательно, для учёта характеристик материалов при формировании 3D моделей предлагается ввести в программный модуль таблицу с видом и названием кристаллических структур у имеющихся материалов. Тогда, опираясь на данные такой таблицы, можно выбирать основные параметры, определяющие формирование кристаллических решёток в виде 3D моделей. К ним относятся значения постоянной периода кристаллической решётки и радиусы атомов или ядер. Также следует учитывать, что вид кристаллической решётки полупроводников обладает равноценными связями в любом тетраэдрическом направлении.

Для упрощения формирования кристаллических решёток с использованием методов синтеза виртуальной реальности в данных исследованиях предлагается учитывать индексы Миллера (например, если в дальнейшем потребуется оценивать эффект ионизации от воздействий рентгеновского излучения). В этом случае должна учитываться ориентация атомных плоскостей в трёхмерном пространстве. В этом случае кристаллографические индексы будут определять число равных частей, на которые делятся ребра элементарной ячейки, и описываться тремя целыми числами (0 или 1) в виде индексов hkl.

Между индексами (hkl), величиной dhkl и периодами решетки a, b, c существует математическая зависимость. Следует отметить, что для каждой сингонии эта зависимость может быть представлена своим уравнением (1)–(7), соответственно для кубической, тетрагональной, ромбической, гексагональной, тригональной, моноклинной и триклинной ячеек.

В данном случае при формировании 3D модели транзистора предполагается, что величина dhkl определяет толщину между слоями кристаллической решётки или период решётки относительно направления внешних воздействий.

lavlinskiy02.wmf (1)

lavlinskiy03.wmf (2)

lavlinskiy01.wmf (3)

lavlinskiy04.wmf (4)

lavlinskiy05.wmf (5)

lavlinskiy06.wmf (6)

lavlinskiy07.wmf, (7)

где lavlinskiy08.wmf

lavlinskiy09.wmf

Кроме того введён критерий правильности расчета периодов элементарной ячейки, который базируется на числе формульных единиц, определяемом по формулам (8) (для системы размерности СИ) и (9):

lavlinskiy10.wmf (8)

lavlinskiy11.wmf (9)

где r – плотность вещества (г/см3); V – объем элементарной ячейки (Å3); М – молярная масса вещества (г/моль).

Для данной работы приведён пример преобразования 2D структуры диоксида кремния в структуру 3D. В этом случае было учтено то, что диоксид кремния кристаллизуется в кубической сингонии с параметром гранецентрированной элементарной ячейки а = 5,431 Å (a = b = c). Структура диоксида кремния аналогична структуре, представленной на рис. 2.

Исходя из того, что двумерное представление диоксида кремния (на рисунке слева) имеет такого рода, структуру, то при синтезе виртуальной реальности в 3D виде она формируется в кристаллическую решётку (на рисунке справа). Причем a = b = c = 2R, и более крупными кружками (сферами) обозначен кремний Si.

Таким образом, для создания 3D модели любого транзистора, включая МОП-транзистор, необходимо определить количество слоёв, из которых он состоит. Причём слои материалов и слои 3D модели отличаются друг от друга с целью упрощения формирования этих слоёв.

Примеры проектирования различных геометрических размеров транзисторов с помощью объектно-ориентированного языка программирования CodeGear RAD Studio с использованием компонента Draw3D представлены на рис. 3.

Данная разработанная 3D модель МОП – транзистора представлена в виде отдельного объекта со своими свойствами, которые определяют параметры транзистора.

pic_42.tif pic_43.tif

а б

Рис. 2. Преобразование 2D структуры диоксида кремния SiO2 (а) в структуру 3D (б)

pic_44.tif

Рис. 3. Примеры проектирования различных геометрических размеров транзисторов с помощью объектно-ориентированного языка программирования CodeGear RAD Studio с использованием компонента Draw3D

Исходя из того, что одним из базовых подходов в проектировании транзисторов является анализируемая структура с тестовыми параметрами, которые и определяют её особенности, то применительно к 3D модели МОП-транзистора выполняется соответствие её свойств с физическими параметрами, такими как толщина dсл [мкм] и уровни легирования приборного слоя [см–3], ширина Wк [мкм] и длина Lк [мкм] канала, длины истока Lи [мкм] и стока Lс [мкм], длина контакта металлизации к истоку Lми [мкм] и к стоку Lмс [мкм], уровни легирования областей стока и истока [см–3], исходные подвижности электронов и дырок [В/(см?с2)], а также исходные времена жизни электронов и дырок [нс]. Входными переменными 3D модели МОП-транзистора являются длина (L) [м] и ширина (W) [м] канала, число параллельных устройств (M или NP), число последовательных устройств (N или NS). К внутренним параметрам 3D модели относятся: затвор окисла ёмкости на единицу площади COX [Ф/м2], глубина залегания перехода XJ [м], ширина канала коррекции DW [м] и длина канала коррекции DL [м], которые имеют отрицательные значения, а также: пороговое напряжение канала VTO [В], параметр трёхмерного геометрического объекта GAMMA [√В], потенциал Ферми подложки PHI [В], параметр активной межэлектродной проводимости KP [A/В2], мобильный поправочный коэффициент E0 [В/м], продольное критическое поле UCRIT [В/м].

Заключение

Таким образом, опираясь на математические зависимости между указанными параметрами 3D модели для МОП-транзистора, можно рассчитать его электрические параметры.

Разработанные с помощью объектно-ориентированного языка программирования CodeGear RAD Studio с использованием компонента Draw3D, модели МОП-транзисторов демонстрируют возможность использования синтеза виртуальной реальности объектов проектирования с целью дальнейшей оценки электрических, физических, химических и энергетических параметров электронной компонентной базы.

Кроме того, данные модели подтверждают возможность 3D моделирования структур в виде отдельных элементов электронной компонентной базы.