защелка
В электронике защелка — это тип короткого замыкания , которое может произойти в интегральной схеме (ИС). Точнее, это непреднамеренное создание пути с низким импедансом между шинами питания схемы MOSFET , запускающее паразитную структуру , которая нарушает правильное функционирование детали и, возможно, даже приводит к ее разрушению из-за перегрузки по току . цикл включения и выключения питания Чтобы исправить эту ситуацию, необходим .
Паразитная структура обычно эквивалентна тиристору (или SCR ), структуре PNPN , которая действует как PNP и NPN- транзистор, расположенные рядом друг с другом. Во время фиксации, когда один из транзисторов проводит ток, другой тоже начинает проводить ток. Они оба поддерживают друг друга в насыщении до тех пор, пока структура смещена в прямом направлении и через нее течет некоторый ток - что обычно означает до тех пор, пока не произойдет отключение питания. Паразитная структура SCR формируется в составе пары тотемных PMOS и NMOS-транзисторов на выходных драйверах затворов.
Фиксация не обязательно должна происходить между шинами питания — она может произойти в любом месте, где существует необходимая паразитная структура. Распространенной причиной фиксации является всплеск положительного или отрицательного напряжения на входном или выходном контакте цифрового чипа, который превышает напряжение на шине более чем на падение напряжения на диоде. Другая причина — напряжение питания, превышающее абсолютное максимальное значение, часто из-за кратковременного скачка напряжения в источнике питания. Это приводит к разрушению внутреннего соединения . Это часто случается в схемах, в которых используется несколько напряжений питания, которые не возникают в необходимой последовательности при включении питания, что приводит к тому, что напряжения на линиях передачи данных превышают входные номиналы частей, которые еще не достигли номинального напряжения питания. Защелки также могут быть вызваны электростатическим разрядом.
Другой распространенной причиной зависаний является ионизирующее излучение , что делает это серьезной проблемой в электронных продуктах, предназначенных для космического (или очень высокогорного) применения. — Задержка одного события это задержка, вызванная одним событием , обычно тяжелыми ионами или протонами космических лучей или солнечных вспышек. [1] [2] Однособытийный затвор (SEL) можно полностью исключить с помощью нескольких производственных технологий в рамках радиационной закалки . [3]
Мощные микроволновые помехи также могут вызвать зависания. [4]
Как интегральные схемы КМОП, так и интегральные схемы ТТЛ более подвержены защелкиванию при более высоких температурах. [5]
CMOS-защелка
[ редактировать ]
Все КМОП-ИС имеют пути фиксации, но существует несколько методов проектирования, которые уменьшают восприимчивость к фиксации. [6] [7] [8]
В технологии КМОП существует ряд внутренних транзисторов с биполярным переходом. В КМОП-процессах эти транзисторы могут создавать проблемы, когда сочетание n-ям/p-ям и подложки приводит к образованию паразитных структур npnp. Запуск этих тиристорных устройств приводит к замыканию линий Vdd и GND, что обычно приводит к разрушению микросхемы или сбою системы, который можно устранить только отключением питания. [9]
Рассмотрим структуру n-ям на первом рисунке. Структура npnp образована источником NMOS, p-субстратом, n-лункой и источником PMOS. Также показан эквивалент схемы. Когда один из двух биполярных транзисторов смещается в прямом направлении (из-за тока, протекающего через лунку или подложку), он питает базу другого транзистора. Эта положительная обратная связь увеличивает ток до тех пор, пока цепь не выйдет из строя или не сгорит.
Изобретение ныне ставшей отраслевым стандартом технологии предотвращения блокировки КМОП было сделано компанией Hughes Aircraft в 1977 году. [10]
Предотвращение блокировки
[ редактировать ]Можно спроектировать микросхемы, устойчивые к защелкам, добавив слой изолирующего оксида (называемый канавкой ) , который окружает как NMOS, так и PMOS транзисторы. Это разрушает структуру паразитного кремниевого выпрямителя (SCR) между этими транзисторами. Такие детали важны в тех случаях, когда правильная последовательность подачи питания и сигналов не может быть гарантирована, например, при горячей замены устройствах .
Устройства, изготовленные из слаболегированных эпитаксиальных слоев, выращенных на сильнолегированных подложках, также менее подвержены запиранию. Сильно легированный слой действует как сток тока, где избыточные неосновные носители могут быстро рекомбинировать. [11]
Большинство устройств с кремнием на изоляторе по своей природе устойчивы к защелкам. [12] Latch-up – это соединение с низким сопротивлением между ванной [ нужны разъяснения ] и шины питания.
Также, чтобы избежать защелки, для каждого транзистора делается отдельный ответвитель. Но это увеличит размер устройства, поэтому фабрики оставляют минимальное пространство для размещения отвода, например, 10 мкм по технологии 130 нм. [ нужны разъяснения ]
Тестирование на фиксацию
[ редактировать ]- См. EIA / JEDEC стандарт , тест на защелкивание микросхем EIA/JESD78.
На этот стандарт обычно ссылаются в квалификационных спецификациях ИС.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Р. Кога, К.Б. Кроуфорд, С.Дж. Гензель, Б.М. Джонсон, Д.Д. Лау, С.Х. Пензин, С.Д. Пинкертон, МК Махер. «AN-932 SEU и усовершенствованная КМОП-технология, устойчивая к защелкам» . 1994.
- ^ «Однократная защита интегральных схем» . 2002.
- ^ DJ Ширли и М.К. Маклелланд. «Космический компьютер следующего поколения SC-7 RISC» . Юго-Западный научно-исследовательский институт . п. 3
- ^ Х. Ван, Дж. Ли, Х. Ли, К. Сяо и Х. Чен. «Экспериментальное исследование и моделирование Spice эффектов защелкивания КМОП-инверторов из-за мощных микроволновых помех» . 2008.
- ^ Купер, Миссисипи; Ретцлер, JP «Высокотемпературная ТТЛ-фиксация Шоттки» . дои: 10.1109/TNS.1978.4329568 1978.
- ^ «Понимание блокировки в расширенной логике CMOS» . цитировать: «структуры, используемые во всех КМОП-ИС… имеют связанные с ними пути фиксации»
- ^ Джерри К. Уитакер. «Микроэлектроника 2-е издание» . 2005. п. С 7-7 до 7-8. цитировать: «КМОП-инверторы и вентили по своей сути обладают... паразитные биполярные транзисторы, образующие кремниевый управляемый выпрямитель (SCR). Хотя... защелкивания не избежать, Производители КМОП разрабатывают входные и выходные схемы, устойчивые к защелкам».
- ^ Фэйрчайлд. «Усовершенствования процесса Fairchild устраняют проблему блокировки CMOS SCR в логике 74HC» . 1998.
- ^ Ян М. Рабай , Калифорнийский университет, Беркли; Ананта Чандракасан , Массачусетский технологический институт, Кембридж; Боривое Николич , Калифорнийский университет, Беркли; Цифровые интегральные схемы (2-е издание) ISBN 978-0-13-090996-1
- ^ "Патент на самолет Хьюза US4173767" .
- ^ Стивен А. Кэмпбелл, Наука и техника изготовления микроэлектроники, Oxford University Press (индийское издание, 2007 г.), стр. 461 ISBN 978-0-19-568144-4
- ^ Плёсль, Андреас; Кроутер, Гертруда (2000). «Кремний на изоляторе: материальные аспекты и применение» . Твердотельная электроника . 44 (5): 775–782. дои : 10.1016/S0038-1101(99)00273-7 . ISSN 0038-1101 . Проверено 5 августа 2023 г.