Circuiti Integrati
Digitali - L‘ottica del
progettista
Jan M. Rabaey
Anantha Chandrakasan
Borivoje Nikolic
I Dispositivi
© Circuiti Integrati Digitali – seconda edizione
I Dispositivi
La tensione di soglia: concetti
fondamentali
+
S
VGS
-
D
G
n+
n+
Depletion
Region
n-channel
p-substrate
B
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I Dispositivi
La tensione di soglia
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I Dispositivi
L‘effetto body
0.9
0.85
0.8
0.75
VT (V)
0.7
0.65
0.6
0.55
0.5
0.45
0.4
-2.5
-2
-1.5
-1
V
BS
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-0.5
0
(V)
I Dispositivi
Caratteristiche corrente -tensione
transistor a canale lungo
6
x 10
-4
VGS= 2.5 V
5
Resistiva
Saturazione
4
ID (A)
VGS= 2.0 V
3
VDS = VGS - VT
2
VGS= 1.5 V
1
0
Relazione
quadratica
VGS= 1.0 V
0
0.5
1
1.5
2
2.5
VDS (V)
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I Dispositivi
Regione lineare o resistiva
VGS
VDS
S
G
n+
–
V(x)
ID
D
n+
+
L
x
p-substrate
B
MOS transistor and its bias conditions
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I Dispositivi
Regione di saturazione
VGS
VDS > VGS - VT
G
D
S
n+
-
VGS - VT
+
n+
Pinch-off
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I Dispositivi
Caratteristiche corrente -tensione
transistor a canale lungo
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I Dispositivi
Un modello per l'analisi manuale
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I Dispositivi
Caratteristiche corrente -tensione
transistor a canale corto
2.5
x 10
-4
VGS= 2.5 V
Saturazione precoce
2
VGS= 2.0 V
ID (A)
1.5
VGS= 1.5 V
1
0.5
0
Dipendenza
lineare
VGS= 1.0 V
0
0.5
1
1.5
2
2.5
VDS (V)
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I Dispositivi
u n (m/s)
Saturazione di velocità
usat = 105
Velocità costante
Mobilità costante (pendenza = µ)
xc = 1.5
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x (V/µm)
I Dispositivi
Prospettive
ID
Canale lungo
VGS = VDD
Canale corto
V DSAT
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VGS - V T
VDS
I Dispositivi
Caratteristica ID - VGS
-4
6
x 10
-4
x 10
2.5
5
2
4
lineare
quadratica
ID (A)
ID (A)
1.5
3
1
2
0.5
1
0
0
quadratica
0.5
1
1.5
2
VGS(V)
Canale lungo
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2.5
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
VGS(V)
Canale corto
I Dispositivi
Caratteristica ID - VDS
-4
6
-4
x 10
VGS= 2.5 V
x 10
2.5
VGS= 2.5 V
5
2
Resistiva Saturazione
ID (A)
VGS= 2.0 V
3
VDS = VGS - VT
2
1
VGS= 1.5 V
0.5
VGS= 1.0 V
VGS= 1.5 V
1
0
0
VGS= 2.0 V
1.5
ID (A)
4
VGS= 1.0 V
0.5
1
1.5
2
VDS(V)
Canale lungo
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2.5
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
VDS(V)
Canale corto
I Dispositivi
Confronto tra il modello
semplificato e quello SPICE
2.5
x 10
-4
VDS=VDSAT
2
Velocity
Saturated
ID (A)
1.5
Linear
1
VDSAT=VGT
0.5
VDS=VGT
0
0
0.5
Saturated
1
1.5
2
2.5
VDS (V)
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I Dispositivi
Un modello unificato per l‘analisi
manuale
G
S
D
B
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I Dispositivi
Il transistor PMOS
-4
0
x 10
VGS = -1.0V
-0.2
VGS = -1.5V
ID (A)
-0.4
-0.6
-0.8
-1
-2.5
VGS = -2.0V
Considerare negative
tutte le quantità o usare
il modulo
VGS = -2.5V
-2
-1.5
-1
-0.5
0
VDS (V)
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I Dispositivi
Il transistor come interruttore
VGS  V T
Ron
S
ID
V GS = VD D
D
Rmid
R0
V DS
VDD/2
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VDD
I Dispositivi
Il transistor come interruttore
L
1
Req  ; Req 
W
k'
k n '  2  3  k p '  Reqn 
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Reqp
23
I Dispositivi
Capacità del MOS
comportamento
dinamico
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I Dispositivi
Comportamento dinamico del
transistor MOS
G
CGS
CGD
D
S
CGB
CSB
CDB
B
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I Dispositivi
La Capacità di gate
Gate di polisilicio
Cov 
Source
 ox
tox
 ox
tox
 L  W  Cox  W  L
 xd  W  Cox  xd  W  CO  W
Drain
xd
n+
C gate 
xd
Ld
W
n+
Sovrapp.
gate-bulk
Vista dall’alto
Ossido di gate
tox
n+
L
n+
Sezione trasversale
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I Dispositivi
La capacità di gate
G
G
CGC
CGC
D
S
CGC
D
S
Cut-off
Regione
G
Resistive
D
S
Saturation
Cgb
Cgs
Cgd
CoxWL
COW
COW
Lineare
0
COW+CoxWL/2
COW+CoxWL/2
Saturazione
0
COW+(2/3)CoxWL
COW
Off
Regioni di maggiore importanza nei circuiti digitali: saturazione e spento
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I Dispositivi
Comportamento dinamico del
transistor MOS
G
CGS
CGD
D
S
CGB
CSB
CDB
B
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I Dispositivi
La capacità di diffusione
Impianto al bordo del canale
NA1
Bordo
Source
ND
W
Fondo
xj
Bordo
LS
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Canale
SubstratoN A
I Dispositivi
La capacità di giunzione
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I Dispositivi
Capacità nel processo 0.25 mm
CMOS
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I Dispositivi
Modello 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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I Dispositivi
Il transistor MOS a canale corto
 Variazioni
della Tensione di Soglia
 Conduzione in Sottosoglia
 Resistenze Parassite
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I Dispositivi
Variazioni della tensione di soglia
VT
VT
Soglia per canale lungo
L
Soglia in funzione della
lunghezza (per basse VDS )
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Soglia per basse VDS
VDS
Drain-induced barrier lowering
(per L corto)
I Dispositivi
Conduzione in sottosoglia
Pendenza di sottosoglia
-2
10
Lineare
-4
I D ~ I 0e
10
-6
Quadratica
, n  1
CD
Cox
S è DVGS per ID2/ID1 =10
ID (A)
10
qVGS
nkT
-8
10
-10
Esponenziale
-12
VT
10
10
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Valori tipici di S:
60 .. 100 mV/decade
VGS (V)
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I Dispositivi
ID vs VGS in sottosoglia
I D  I 0e
qVGS
nkT
qV
 DS

1  e kT






VDS da 0 a 0.5V
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I Dispositivi
ID vs VDS in sottosoglia
I D  I 0e
qVGS
nkT
qV
 DS

1  e kT



1    VDS 


VGS da 0 a 0.3V
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I Dispositivi