conception des circuits integres mos elements de base

CONCEPTION DES CIRCUITS INTEGRES MOS
ELEMENTS DE BASE - PERSPECTIVES
M. CAND, J.-L. LARDY
E. DEMOULIN, P. SENN
RESUME
La conception des circuits intégrés est devenue une opération extrêmement Importante qui
mérite bien de faire l'objet d'un ouvrage dans la Collection Technique et Scientifique des
Télécommunications Ce livre fournit au lecteur, dans un cheminement logique, une
connaissance progressive et approfondie des divers matériaux et éléments nécessaires a la
conception d'un circuit. Partant de l'élément de base, qui est le transistor MOS, il introduit
successivement les diverses fonctions élémentaires, logiques et analogiques ainsi que les
méthodes qui permettront de les assembler pour concevoir un circuit complexe.
Pour couvrir l'ensemble des aspects physiques, technologiques, électroniques de la question, Il a été fait appel a des spécialistes ayant
des compétences affirmées dans des domaines complémentaires. Le résultat est une œuvre collective tout a fait remarquable. C'est un
livre complet, homogène, bien structuré, ci la portée d'un grand nombre d'utilisateurs. Il est a la fois académique et pratique et présente
les outils les plus modernes nécessaires a la conception des circuits VLSI. Nul doute qu'il aura sa place dans de nombreuses
bibliothèques, au service des enseignants et des étudiants, des chercheurs et des
ingénieurs.
TABLE DES MATIERES
Préface VII
Principaux symboles IX
Avertissement. XIX
CHAPITRE PREMIER Le transistor MOS 1
1.1 La capacité metal-oxyde-semiconducteur (MOS) 1
1.1.1 La charge d'espace dans le semiconducteur 1
1.1.2 Les courbes C-V G théoriques 6
1.1.3 Les structures MOS réelles 9
1.1.4 Caractérisation 12
1.2 Le transistor à effet de champ MOS 14
1.2.1 Les équations de base du transistor MOS à enrichissement 15
1.2.2 Le modèle CAO du transistor MOS 28
1.2.3 Le transistor MOS à déplétion 31
1.2.4 Modélisation de transistors MOS pour l'intégration à très grande échelle (VSLI) 32
1.2.5 Modèle dynamique du transistor 37
1.2.6 Détermination des paramètres du modèle statique 39
CHAPITRE DEUX Les technologies MOS 43
2.1 Introduction 43
2.2 Structures des transistors MOS 44
2.2.1 MOS canal P grille aluminium 44
2.2.2 MOS canal N grille silicium 47
2.2.3 Structures CMOS 50
2.3 Procèdes de réalisation 52
2.3.1 Procédés peritechnologiques 52
2.3.2 Réalisation NMOS grille silicium 53
2.3.3 Réalisation du CMOS grille silicium 58
2.4 Opérations élémentaires 61
2.4.1 Propriétés générales du silicium 61
2.4.2 Masques et lithographie 63
2.4.3 Gravure 66
2.4.4 Oxydation du silicium 68
2.4.5 Dopage du silicium 70
2.4.6 Dépôts 76
2.4.7 Mesure et contrôles technologiques 76
2.5 Règles de dessin 78
2.5.1 Fondements 78
2.5.2 Exemple de règles de dessin 79
2.5.3 Evolution du concept de règles de dessin 82

CHAPITRE TROIS L'inverseur MOS 85
3.1 Utilisation d'un model simplifié 85
3.2 L'inverseur général 87
3.2.1 Caractéristiques générales 88
3.2.2 Analyse statique de l'inverseur général 90
3.2.3 Analyse dynamique de l'inverseur général 93
3.2.4 Les inverseurs MOS réalisables 97
3.3 Analyse statique des inverseurs NMOS E/D et CMOS 99
3.3.1 Inverseur NMOS E/D 99
3.3.2 L'inverseur CMOS 106
3.4 Analyse dynamique des inverseurs NMOS E/D et CMOS 113
3.4.1 Capacité totale de sortie d'un inverseur 113
3.4.2 Temps de propagation de l'inverseur NMOS E/D (voir § 3.2.3) 116
3.4.3 Temps de propagation de l'inverseur CMOS 122
3.5 Solutions globales simplifiées estimateurs 125
3.5.1 Conception avec des opérateurs à 2 constants 126
3.5.2 Conception avec opérateurs à 2 variables 139
3.5.3 Conception d'un bloc NMOS avec utilisation d'interrupteurs 149
3.5.4 Problème de sortie de bloc. Commande Sur grande capacité 151
3.5.5 Optimisation du produit surface tpd 154
3.6 Problème de consommation. Facteur de mérite 155
3.6.1 Consommation en Courant des opérateurs logiques 155
3.6.2 Puissance dissipée dans un bloc logique 156
Annexe 1 Analyse statique par résolution graphique (Analyse de Memelink) 163
CHAPITRE QUATRE Les opérateurs de base 171
4.1 Les opérateurs NMOD E/D (à enrichissement « déplétion » 172
4.1.1 Les opérateurs du type statique 172
4.1.2 Opérateurs élémentaires avec interrupteurs 179
4.1.3 Opérateurs dynamiques. Logique à phase 187
4.1.4 Les cellules de mémorisation 190
4.2 Les opérateurs CMOS 197
4.2.1 Les opérateurs statiques 197
4.2.2 Estimateurs Méthodes de synthèse 202
4.2.3 Opérateurs CMOS dynamiques ou semi-statiques 208
4.2.4 Les cellules de mémorisation CMOS 210
4.3 Les opérateurs d'interface NMOS 212
4.3. 1 Inverseurs à charge commandée 212
4.3.2 Amplificateur à suralimentation (bootstrap) 215
4.3.3 Amplificateur à seuil (« trigger »de Schmitt) 217
CHAPITRE CINQ Opérateurs de base en régime linéaire 221
5.1 Eléments passifs R-C 223
5.1.1 Résistances 224
5.1.2 Capacités 233
5.1.3 Tolérances et dessins 236
5.1.4 Coefficients de tension et de température 243
5.2 Eléments actifs 245
5.2.1 Le transistor MOS 245
5.2.2 Etages amplificateurs simples 250
5.2.3 Miroirs de courant et sources de tension 264
5.2.4 Etage différentiel 270
5.2.5 Etages de puissance 277
5.2.6 Amplificateurs opérationnels 283
5.2.7 Limitation due au bruit 291
CHAPITRE SIX Les fonctions de base des circuits intégrés 295
6.1 Introduction: notion d'architecture 295
6.1.1 Spécification d'un circuit 295
6.1.2 Notion d'architecture 295
6.2 Les mémoires 297
6.2.1 Classification 297
6.2.2 Les mémoires SRAM 300
6.2.3 Les mémoires DRAM (mémoires vives dynamiques à accès aléatoire) 306
6.2.4 Les registres 315
6.3 Les fonctions arithmétiques 321
6.3.1 Représentation des nombres 321
6.3.2 Additionneurs 324
6.3.3 Les multiplieurs 337
6.3.4 Les diviseurs 345
6.4 Les réseaux logiques programmables 348
6.4.1 Les PLA (programmable logic array) 348
6.4.2 Les ROM 350
6.5 Les séquenceurs 352
6.5.1 Généralités 352

6.5.1 Généralités 352
6.5.2 Exemple de conception de séquenceur 353
6.5.3 Séquenceur d'instructions 356
6.6 Evaluation de surface 357
CHAPITRE SEPT Méthodologie de conception et CAO 361
7.1 Conception d'un circuit intègre 361
7.1.1 Synthèse architecturale et logique 362
7.1.2 Plan de masse Synthèse fine 363
7.1.3 Dessin des masques et vérification 363
7.1.4 Fabrication et validation de la conception 364
7.2 Outils d'aide à la conception 365
7.2.1 Simulateurs électriques 365
7.2.2 Simulateurs logiques 391
7.2.3 Simulateurs fonctionnels 394
7.2.4 Systèmes intégrés de CAO 395
7.2.5 Les outils d'aide au dessin 396
7.2.6 Les vérificateurs 399
7.3 Méthodes de dessin 400
7.3.1 lmplantation symbolique bâton (stick diagramm) 400
7.3.2 Implantation symbolique « fonctionnelle » 402
7.4 Validation de la conception 407
7.4.1 Test automatique Sur tranche 407
7.4.2 Localisation des erreurs 407
Annexe Note historique: Le cheminement des expériences et des théories 409
1 La préhistoire des semiconducteurs 409
2 La physique théorique permet la sortie de la préhistoire 411
3 Barrière de potentiel, couche d'inversion, effet de pointe 412
4 Semiconducteurs et radars 414
5 Quand l'Europe prépare la guerre, l'Amérique marche vers la civilisation du sicilium 414
6 Commutation téléphonique et invention du transistor 417
7 Des transistors à pointes aux circuits intégrés 417
8 L'effet de champ -les MIS et les MOS 424
9 Les circuits intégrés MOS 431
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