© Circuiti Integrati Digitali – seconda edizione I Dispositivi

Circuiti Integrati Circuiti Integrati Digitali - L‘ottica delDigitali - L‘ottica del progettistaprogettista

I DispositiviI Dispositivi

Jan M. RabaeyAnantha ChandrakasanBorivoje Nikolic

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La tensione di soglia: concetti La tensione di soglia: concetti fondamentalifondamentali

n+n+

p-substrate

DSG

B

VGS

+

-

Depletion

Region

n-channel

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La tensione di sogliaLa tensione di soglia

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L‘effetto body L‘effetto body

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 00.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

VBS

(V)

VT (

V)

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Caratteristiche corrente -tensioneCaratteristiche corrente -tensionetransistor a canale lungotransistor a canale lungo

Relazionequadratica

0 0.5 1 1.5 2 2.50

1

2

3

4

5

6x 10

-4

VDS (V)

I D (

A)

VGS= 2.5 V

VGS= 2.0 V

VGS= 1.5 V

VGS= 1.0 V

Resistiva Saturazione

VDS = VGS - VT

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Regione lineare o resistivaRegione lineare o resistiva

n+n+

p-substrate

D

SG

B

VGS

xL

V(x) +–

VDS

ID

MOS transistor and its bias conditions

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Regione di saturazioneRegione di saturazione

n+n+

S

G

VGS

D

VDS > VGS - VT

VGS - VT+-

Pinch-off

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Caratteristiche corrente -tensioneCaratteristiche corrente -tensionetransistor a canale lungotransistor a canale lungo

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Un modello per l'analisi manualeUn modello per l'analisi manuale

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Caratteristiche corrente -tensioneCaratteristiche corrente -tensionetransistor a canale cortotransistor a canale corto

Dipendenzalineare

-4

VDS (V)0 0.5 1 1.5 2 2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5x 10

I D (

A)

VGS= 2.5 V

VGS= 2.0 V

VGS= 1.5 V

VGS= 1.0 V

Saturazione precoce

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Saturazione di velocità Saturazione di velocità

(V/µm)c = 1.5

n

(m/s

)

sat = 105

Mobilità costante (pendenza = µ)

Velocità costante

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ProspettiveProspettive

IDCanale lungo

Canale corto

VDSVDSAT VGS - VT

VGS = VDD

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Caratteristica Caratteristica IIDD - V - VGSGS

0 0.5 1 1.5 2 2.50

1

2

3

4

5

6x 10

-4

VGS (V)

I D (

A)

0 0.5 1 1.5 2 2.50

0.5

1

1.5

2

2.5x 10

-4

VGS (V)

I D (

A)

quadratica

quadratica

lineare

Canale lungo Canale corto

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Caratteristica Caratteristica IIDD - V - VDSDS

-4

VDS (V)0 0.5 1 1.5 2 2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5x 10

I D (

A)

VGS= 2.5 V

VGS= 2.0 V

VGS= 1.5 V

VGS= 1.0 V

0 0.5 1 1.5 2 2.50

1

2

3

4

5

6x 10

-4

VDS (V)

I D (

A)

VGS= 2.5 V

VGS= 2.0 V

VGS= 1.5 V

VGS= 1.0 V

ResistivaSaturazione

VDS = VGS - VT

Canale lungo Canale corto

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Confronto tra il modello Confronto tra il modello semplificato e quello SPICE semplificato e quello SPICE

0 0.5 1 1.5 2 2.50

0.5

1

1.5

2

2.5x 10

-4

VDS

(V)

I D (

A)

VelocitySaturated

Linear

Saturated

VDSAT=VGT

VDS=VDSAT

VDS=VGT

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Un modello unificato per l‘analisi Un modello unificato per l‘analisi manualemanuale

S D

G

B

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Il transistor PMOSIl transistor PMOS

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0x 10

-4

VDS (V)

I D (

A)

Considerare negativetutte le quantità o usareil modulo

VGS = -1.0V

VGS = -1.5V

VGS = -2.0V

VGS = -2.5V

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Il transistor come interruttoreIl transistor come interruttore

VGS VT

RonS D

ID

VDS

VGS = VD D

VDD/2 VDD

R0

Rmid

ID

VDS

VGS = VD D

VDD/2 VDD

R0

Rmid

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Il transistor come interruttoreIl transistor come interruttore

'

1;

kR

W

LR eqeq

32'32'

eqp

eqnpn

RRkk

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Capacità del MOS Capacità del MOS comportamento comportamento dinamicodinamico

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Comportamento dinamicoComportamento dinamico del del transistor MOStransistor MOS

DS

G

B

CGDCGS

CSB CDBCGB

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La Capacità di gate La Capacità di gate

tox

n+ n+

Sezione trasversale

L

Ossido di gate

xd xd

L d

Gate di polisilicio

Vista dall’alto

Sovrapp.gate-bulk

Source

n+

Drain

n+W

WCWxCWxt

C Odoxdox

oxov

LWCWLt

C oxox

oxgate

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La capacità di gate La capacità di gate

S D

G

CGC

S D

G

CGC

S D

G

CGC

Cut-off Resistive Saturation

Regioni di maggiore importanza nei circuiti digitali: saturazione e spento

Regione Cgb Cgs Cgd

Off CoxWL COW COW

Lineare 0 COW+CoxWL/2 COW+CoxWL/2

Saturazione 0 COW+(2/3)CoxWL COW

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Comportamento dinamicoComportamento dinamico del del transistor MOStransistor MOS

DS

G

B

CGDCGS

CSB CDBCGB

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La capacità di diffusioneLa capacità di diffusione

Fondo

Bordo

BordoCanale

SourceND

Impianto al bordo del canale NA1

SubstratoNA

W

xj

LS

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La capacità di giunzioneLa capacità di giunzione

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CapacitàCapacità nel processo 0.25 nel processo 0.25 m m CMOS CMOS

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Modello semplificatoModello semplificato Equazioni a canale lungo Resistenze equivalenti note per una

dimensione di riferimento R inv. proporzionale a W/L e k’

Capacità equivalenti tra s, d, g e massa Cd e Cs proporzionali a W Cg proporzionale a WL

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Il transistor MOS a canale cortoIl transistor MOS a canale corto

Variazioni della Tensione di Soglia Conduzione in Sottosoglia Resistenze Parassite

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Variazioni della tensione di sogliaVariazioni della tensione di soglia

VT

L

Soglia per canale lungo Soglia per basse VDS

Soglia in funzione dellalunghezza (per basse VDS )

Drain-induced barrier lowering (per L corto)

VDS

VT

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Conduzione in sottosogliaConduzione in sottosoglia

0 0.5 1 1.5 2 2.510

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2

VGS (V)

I D (

A)

VT

Lineare

Esponenziale

Quadratica

Valori tipici di S:60 .. 100 mV/decade

Pendenza di sottosoglia

ox

DnkT

qV

D C

CneII

GS

1 ,~ 0

S è VGS per ID2/ID1 =10

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IIDD vs vs VVGS GS in sottosogliain sottosoglia

VDS da 0 a 0.5V

kT

qV

nkT

qV

D

DSGS

eeII 10

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IIDD vs vs VVDS DS in sottosogliain sottosoglia

DSkT

qV

nkT

qV

D VeeIIDSGS

110

VGS da 0 a 0.3V