Die Polysilizium-Schicht kann nicht nur für die Gate-Anschlüsse von
Transistoren und lokale Verbindungen genutzt
werden, sie eignet sich auch zur Herstellung von integrierten Widerständen.
Je geringer die Dotierung, desto höher wird ihr spezifischer Widerstand.
In diesem Beispiel wird ein Schichtwiderstand
von [2000]
angenommen.
Für gewisse Anwendungen ist es notwendig, zwei Widerstände mit exakt
gleichem Wert zur Verfügung zu haben (z.B. in Operationsverstärkern).
Dabei ist es notwendig, dass thermische Einflüsse auf beide Widerstände
in gleicher Art einwirken, weshalb ihr Abstand möglichst gering sein muss.
Dadurch kommt es aber zu einer erhöhten kapazitiven Kopplung und
Übersprechen kann zu einem Problem werden.
Ein solches Widerstandspaar wird deshalb in diesem Beispiel (Abb. 7.17)
mittels transienter FEM-Simulation analysiert und die Ergebnisse mit den
Resultaten eines Schaltungssimulators [151] verglichen.
Die beiden Polysilizium-Leitungen sind jeweils [1]
m breit und haben
eine Gesamtlänge von [171]
m.
Als erster Schritt wurden die Widerstände und Kapazitäten dieser Struktur
extrahiert. Dazu wurde das darunter liegende Si-Substrat als idealer Leiter
angenommen.
Folgende Werte wurden berechnet:
,
,
,
.
Anschließend wurde eine transiente Simulation durchgeführt. Da hier aufgrund der schlechten Leitfähigkeiten die elektrischen Ströme gering sind und induktive Effekte kaum einen Einfluss haben, kann mittels quasi-elektrostatischer Näherung ein ausreichend genaues Ergebnis erzielt werden. Dazu wurde ein Simulationsgitter mit 21294 Tetraederelementen mit quadratischen Ansatzfunktionen und 34920 Gitterknoten erzeugt.
In dieser Simulation wurde am linken Anschluss eines Widerstandes
zum Zeitpunkt ein Spannungssprung von [1]V angelegt.
Der linke Anschluss des anderen Widerstandes wurde auf Massepotenzial
gelegt.
Die beiden rechten Kontakte der Widerstände wurden zunächst offen gelassen
und die Spannung beobachtet (Leerlauf).
Das Substrat wurde dabei weiterhin als ideale Massefläche angenommen.
Dabei lässt sich eine Verzögerungszeit von [106]ps beobachten,
bis am Ausgang der aktiven Leitung 90% der Eingangsspannung anliegen.
Kapazitives Übersprechen kann man am Ausgang der zweiten Leitung erkennen.
Das Maximum von [0.1]V wird nach [40]ps erreicht (siehe
Abb. 7.18)
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Die berechneten Ausgangsspannungen stimmen dabei sehr gut mit einem fünfstufigem Schaltungmodell überein, das aus den extrahierten Widerständen und Kapazitäten gewonnen wurde (Abb. 7.19).
In einer zweiten Simulation wurde der Einfluss des Substrates untersucht.
Dazu wurde anstatt einer idealen Massefläche ein Substrat mit einer
leicht dotierten Epi-Schicht mit einem spezifischen Widerstand von
[10]cm angenommen.
Das Substrat wurde durch einen Kontakt unterhalb der linken Anschlüsse der
beiden Widerstände mit Masse verbunden.
Die Ausgangsspannungen wurden jetzt relativ zum Potenzial des Substrats
unter den beiden rechten Enden der Widerstände berechnet.
Das Ergebnis ist in Abb. 7.20 (ausgezogene Linien
FEM-Simulation)
dargestellt.
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Nun ist die Verzögerungszeit um einiges länger ([600]ps) und
das Übersprechen ist negativ mit einem Maximum von [-0.31]V nach
[133]ps.
Die strichlierten Linien geben zum Vergleich das Ergebnis einer
Schaltungssimulation mit einem fünfstufigen Modell wieder.
Dafür wurde in einer stationären FEM-Simulation der Substratwiderstand
zwischen den beiden Substratkontakten unter dem Polysilizium-Widerstand
ermittelt ([14.9]k) und in dem fünfstufigen Schaltungsmodell
mit berücksichtigt.
Die Struktur der Ersatzschaltung ist in Abb. 7.21 dargestellt.
In den ersten [300]ps ist eine Abweichung zwischen der
Schaltungssimulation und der FEM-Simulation beobachtbar.
Nach dieser Zeit verschwindet der Fehler.
Anzumerken ist, dass das Ergebnis der Schaltungssimulation nicht oder nur
sehr geringfügig verbessert
werden kann, indem man die Anzahl der Stufen weiter erhöht.
Der beobachtete Fehler lässt sich also darauf zurückführen, dass
mit der Struktur des hier verwendeten Ersatzschaltbildes
eine Leitung über verlustbehaftetem Substrat nicht optimal
beschrieben wird.
Bessere Schaltungsmodelle könnte man z.B. durch Anwendung von
Ordnungsreduktionsverfahren [152,153,154] auf die
in der FEM-Simulation berechneten Resultate gewinnen.