NBTI效应对数字集成电路组合逻辑延迟的影响研究

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深纳米量级的工艺下,器件特征尺寸的减小对集成电路的可靠性设计提出了更高的要求。低电场下的负偏压温度不稳定(NBTI)效应已然成为影响电路性能的一项重要失效机制。对于数字电路中的逻辑器件而言,长期受到负偏压会导致器件的阈值电压发生10%以上的偏移,引起电路延迟时间的退化。当栅氧化层厚度降至3nm以下,NBTI效应更成为了限制电路寿命最主要的因素。因此,对数字逻辑电路中NBTI效应的影响研究迫在眉睫。本文基于优化的门级NBTI反应-扩散模型,对数字组合逻辑电路和时序逻辑电路受NBTI效应的影响进行了研究与分析,设计了考虑NBTI效应情况下电路延迟时间退化的系统性计算方法。主要工作和成果有:1.确立门级NBTI模型,计算NBTI效应影响下器件的阈值电压漂移量,并对数字逻辑电路中的各个逻辑门电路进行考虑阈值电压漂移的延迟退化仿真,并采用函数进行数据拟合,给出逻辑门电路延迟退化的基本计算方法。2.基于延迟时间的传递,提出考虑NBTI效应的数字逻辑门路径延迟退化计算思路,对由基本逻辑门串联而成的逻辑电路路径进行考虑NBTI效应的延迟退化分析。3.根据组合逻辑电路Verilog网表的语法特征,编写程序设计电路结构解析器,将组合逻辑电路的路径信息进行解析。设计逻辑电路NBTI退化分析器,计算整个组合逻辑电路所有路径由于NBTI效应导致的延迟退化,并以用户界面的形式呈现,提供对任意组合逻辑电路进行一键式路径解析分析、NBTI退化计算、关键路径识别、最大延迟计算的整套思路。4.对D触发器进行考虑阈值电压漂移的延迟退化仿真和数据拟合,将逻辑路径延迟退化计算的思路引入时序逻辑,提供计算NBTI效应对时序逻辑电路延迟退化影响的系统性方法。
摘要第6-7页
ABSTRACT第7页
第一章 绪论第13-24页
    1.1 NBTI效应概述第13-14页
    1.2 国内外研究近况分析第14-22页
        1.2.1 NBTI效应的研究历史回顾第14-15页
        1.2.2 NBTI模型优化研究近况第15-20页
        1.2.3 NBTI效应对数字电路影响研究近况第20-22页
    1.3 研究目的与方法第22-24页
        1.3.1 目的和意义第22页
        1.3.2 结构和方法第22-24页
第二章 MOSFET NBTI效应的模型建立第24-33页
    2.1 NBTI反应-扩散模型第24-26页
    2.2 门级NBTI模型第26-30页
        2.2.1 NBTI效应的量化建模需求分析第26-27页
        2.2.2 NBTI退化预测模型及参数确定第27-30页
    2.3 模型的仿真与验证第30-32页
    2.4 本章小结第32-33页
第三章 基本逻辑门电路NBTI退化量的计算与分析第33-45页
    3.1 基本逻辑门电路的延迟综述第33-34页
    3.2 反相器延迟的仿真与计算第34-42页
        3.2.1 反相器的延迟退化分析第34-36页
        3.2.2 延迟退化函数的模型建立第36页
        3.2.3 延迟退化函数的曲线拟合第36-41页
        3.2.4 延迟退化函数的拟合参数求解第41-42页
    3.3 七种基本逻辑门电路延迟退化的拟合与计算第42-44页
    3.4 本章小结第44-45页
第四章 组合逻辑电路NBTI延迟的计算与分析第45-66页
    4.1 逻辑门路径延迟的计算方法第45-47页
    4.2 基本逻辑门路径的延迟退化分析第47-52页
        4.2.1 逻辑路径延迟退化计算流程第47-50页
        4.2.2 基于路径的NBTI延迟退化仿真第50-52页
    4.3 基于Verilog网表的组合逻辑路径解析器设计第52-57页
    4.4 组合逻辑电路NBTI退化分析器设计第57-60页
    4.5 NBTI效应对组合逻辑电路延迟的影响分析第60-64页
        4.5.1 NBTI效应与基本环境参数的关系第60-61页
        4.5.2 ISCAS'85基准电路NBTI退化计算第61-64页
    4.6 本章小结第64-66页
第五章 时序逻辑电路NBTI延迟的计算与分析第66-72页
    5.1 时序逻辑电路的基本概念第66页
    5.2 主从结构D触发器的延迟退化分析第66-70页
        5.2.1 传输门NBTI退化的仿真与计算第66-68页
        5.2.2 主从结构D触发器NBTI退化的仿真与计算第68-70页
    5.3 NBTI效应对时序逻辑电路延迟的影响分析第70-71页
    5.4 本章小结第71-72页
第六章 总结与展望第72-74页
参考文献第74-80页
附录第80-89页
致谢第89-90页
硕士期间发表学术论文第90页
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