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© 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