Działanie tranzystorów polowych MOS. (powtórka)

Podobne dokumenty
TEORIA TRANZYSTORÓW MOS. Charakterystyki statyczne

Wprowadzenie do techniki Cyfrowej i Mikroelektroniki

Materiały używane w elektronice

Podstawy Elektroniki dla Informatyki. Tranzystory unipolarne MOS

IV. TRANZYSTOR POLOWY

Tranzystory polowe FET(JFET), MOSFET

Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój:

Podstawy Elektroniki dla Tele-Informatyki. Tranzystory unipolarne MOS

Pamięci RAM i ROM. R. J. Baker, "CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation", Wiley-IEEE Press, 2 wyd. 2007

Ćwiczenie 4. Parametry statyczne tranzystorów polowych JFET i MOSFET

Budowa. Metoda wytwarzania

Elementy przełącznikowe

Różnicowe układy cyfrowe CMOS

Elementy elektroniczne Wykłady 7: Tranzystory polowe

Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych. Ćwiczenie 4

Przyrządy półprzewodnikowe część 4

BADANIE PRZERZUTNIKÓW ASTABILNEGO, MONOSTABILNEGO I BISTABILNEGO

Tranzystory polowe. Podział. Tranzystor PNFET (JFET) Kanał N. Kanał P. Drain. Gate. Gate. Source. Tranzystor polowy (FET) Z izolowaną bramką (IGFET)

Cyfrowe układy kombinacyjne. 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 2

LABORATORIUM ELEKTRONIKI ĆWICZENIE 4 POLITECHNIKA ŁÓDZKA KATEDRA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

6. TRANZYSTORY UNIPOLARNE

ELEMENTY UKŁADÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH

Logiczne układy bistabilne przerzutniki.

Przyrządy półprzewodnikowe część 5 FET

Ćw. 8 Bramki logiczne

Wzmacniacze napięciowe z tranzystorami komplementarnymi CMOS

Część 3. Przegląd przyrządów półprzewodnikowych mocy. Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 51

Ćwiczenie 24 Temat: Układy bramek logicznych pomiar napięcia i prądu. Cel ćwiczenia

Elementy Elektroniczne

Tranzystory polowe FET(JFET), MOSFET

Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

Ogólny schemat inwertera MOS

Technologia BiCMOS Statystyka procesów produkcji

Przyrządy Półprzewodnikowe

Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój:

Ćwiczenie 17 Temat: Własności tranzystora JFET i MOSFET. Cel ćwiczenia

Badanie działania bramki NAND wykonanej w technologii TTL oraz układów zbudowanych w oparciu o tę bramkę.

10. Tranzystory polowe (unipolarne FET)

Właściwości tranzystora MOSFET jako przyrządu (klucza) mocy

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STUDIA DZIENNE. Badanie tranzystorów unipolarnych typu JFET i MOSFET

Ogólny schemat inwertera MOS

Tranzystor bipolarny: częstotliwość graniczna f T

W książce tej przedstawiono:

Technika Cyfrowa 2 wykład 4: FPGA odsłona druga technologie i rodziny układów logicznych

Tranzystory polowe. Klasyfikacja tranzystorów polowych

Pamięci RAM i ROM. R. J. Baker, "CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation", Wiley-IEEE Press, 2 wyd. 2007

Ćwiczenie 9 TRANZYSTORY POLOWE MOS

Tranzystory polowe JFET, MOSFET

III. TRANZYSTOR BIPOLARNY

Wstęp do analizy układów mikroelektronicznych

SYMBOLE GRAFICZNE. Tyrystory. Struktura Charakterystyka Opis

Vgs. Vds Vds Vds. Vgs

11. Wzmacniacze mocy. Klasy pracy tranzystora we wzmacniaczach mocy. - kąt przepływu

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

Modelowanie elementów Wprowadzenie

Tranzystory bipolarne w układach CMOS

Projekt Układów Logicznych

Stopnie wzmacniające

Parametry układów cyfrowych

PL B1 H03K 17/687 G05F 1/44. Fig. 1 (19) PL (11) (12) OPIS PATENTOWY (13) B1. Siemens Aktiengesellschaft, Monachium, DE

Różnicowe układy cyfrowe CMOS

Politechnika Wrocławska Wydział Elektroniki, Katedra K-4. Klucze analogowe. Wrocław 2017

Ćwiczenie 5. Zastosowanie tranzystorów bipolarnych cd. Wzmacniacze MOSFET

Instrukcja nr 5. Wzmacniacz różnicowy Stabilizator napięcia Tranzystor MOSFET

Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój:

Wydział Elektryczny. Temat i plan wykładu. Politechnika Białostocka. Wzmacniacze

Półprzewodniki. złącza p n oraz m s

Tranzystory. bipolarne (NPN i PNP), polowe (MOSFET), fototranzystory

Tranzystory. 1. Tranzystory bipolarne 2. Tranzystory unipolarne. unipolarne. bipolarny

LABORATORIUM PROJEKTOWANIA UKŁADÓW VLSI

LABORATORIUM z przedmiotu ALGORYTMY I PROJEKTOWANIE UKŁADÓW VLSI

Układy cyfrowe w technologii CMOS

Urządzenia półprzewodnikowe

ĆWICZENIE 15 BADANIE WZMACNIACZY MOCY MAŁEJ CZĘSTOTLIWOŚCI

Zbudować 2wejściową bramkę (narysować schemat): a) NANDCMOS, b) NORCMOS, napisać jej tabelkę prawdy i wyjaśnić działanie przy pomocy charakterystyk

Wykład VIII TRANZYSTOR BIPOLARNY

Złącza p-n, zastosowania. Własności złącza p-n Dioda LED Fotodioda Dioda laserowa Tranzystor MOSFET

Wzmacniacze napięciowe z tranzystorami komplementarnymi CMOS

Podstawy fizyki ciała stałego półprzewodniki domieszkowane

Ćwiczenie 25 Temat: Interfejs między bramkami logicznymi i kombinacyjne układy logiczne. Układ z bramkami NOR. Cel ćwiczenia

1 Dana jest funkcja logiczna f(x 3, x 2, x 1, x 0 )= (1, 3, 5, 7, 12, 13, 15 (4, 6, 9))*.

Badanie charakterystyk elementów półprzewodnikowych

Liniowe układy scalone w technice cyfrowej

Prowadzący: Prof. PŁ, dr hab. Zbigniew Lisik. Program: wykład - 15h laboratorium - 15h wizyta w laboratorium technologicznym - 4h

Przegląd półprzewodnikowych przyrządów mocy

Wyznaczanie krzywej ładowania kondensatora

Przekształtniki napięcia stałego na stałe

Tranzystor bipolarny wzmacniacz OE

Laboratorium KOMPUTEROWE PROJEKTOWANIE UKŁADÓW

LABORATORIUM TECHNIKA CYFROWA BRAMKI. Rev.1.0

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

Tranzystorowe wzmacniacze OE OB OC. na tranzystorach bipolarnych

PL B1. POLITECHNIKA OPOLSKA, Opole, PL BUP 05/18. JAROSŁAW ZYGARLICKI, Krzyżowice, PL WUP 09/18

Politechnika Białostocka

Układy zasilania tranzystorów

TRANZYSTORY MIS WYKŁAD 14 SMK Na pdstw. W. Marciniak, WNT 1987: Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone

Fizyka i technologia złącza PN. Adam Drózd r.

WYDZIAŁ FIZYKI, MATEMATYKI I INFORMATYKI POLITECHNIKI KRAKOWSKIEJ

Źródła i zwierciadła prądowe

Skalowanie układów scalonych Click to edit Master title style

Transkrypt:

1 ziałanie tranzystorów polowych MOS (powtórka V GS większe od napięcia progowego V Tn, V S 0 V Krzem pod powierzchnią SiO w stanie silnej inwersji. Tranzystor odetkany gdy V GS > V Tn > 0 V. Między źródłem a drenem utworzony kanał o przewodnictwie elektronowym. Przyłożenie V GS = V Tn > 0 powoduje obniżenie bariery potencjału Ψ B do nieistotnie małej wartości w tranzystorze z transportem unoszeniowo-dyfuzyjnym. Jeśli V S > 0 V to popłynie związany z przepływem elektronów. dealizowany wykres pasmowy (band diagram 1

Prosty model charakterystyk tranzystora MOS tranzystor MOS z kanałem typu n wzbogacanym 3 W zakresie triodowym, gdy W zakresie nasycenia, gdy V GS > V Tn V GS > V Tn G S 0 V < V S < V GS - V Tn V = S βn VGS VTn VS ( Obszar liniowy (triodowy Obszar nasycenia V S > V GS V Tn > 0 V = β n ( V V GS Tn W β n = μ n C ox L ε ε SiO 0 Cox = tox Charakterystyka idealnego MOSFETa, V Tn = 1,0 V V GS < V Tn odcięcie 0 Charakterystyki współczesnych MOSFETów w układach scalonych odbiegają od tego modelu. Ale jest on nadal użyteczny, gdy chcemy wymyśleć jakiś układ. Prąd drenu w obszarze nasycenia -3 W zakresie nasycenia, gdy V GS > V Tn V S > V GS V Tn > 0 V Prąd drenu w obszarze nasycenia = β n ( V V GS Tn 4 W β n = μ n C ox L Natężenie prądu drenu według najprostszego modelu zależy tylko od V S, nie zależy od napięcia dren źródło V S. Charakterystyki współczesnych MOSFETów w układach scalonych odbiegają od tego modelu. Przewodzący kanał jest indukowany tylko od strony źródła, nie sięga do drenu.

Prąd drenu w obszarze triodowym - 4 Prąd drenu w obszarze triodowym 5 W zakresie napięć V S i V GS V GS > V Tn 0 V < V S < V GS - V Tn = βn V ( V S GS VTn VS W β n = μ n C ox L Pojedyncza charakterystyka (V S przy ustalonym V GS ma kształt odwróconej paraboli osiągającej maksimum dla V S =V GS -V Tn na granicy stosowalności. Ten obszar pracy nazywamy obszarem liniowym (triodowym, nienasycenia linear, triode, nonsaturation, non-pinch-off tranzystora MOS. Przewodzący kanał jest indukowany na całej długości od źródła do drenu. Charakterystyki przejściowe tranzystora MOS tranzystor MOS z kanałem typu n wzbogacanym 6 G S Charakterystyka idealnego MOSFETa, V Tn = 1,0 V V GS < V Tn odcięcie 0 Obszar nasycenia V GS > V Tn V S > V GS V Tn > 0 V = β n ( V V GS Tn Obszar liniowy (triodowy = βn V GS > V Tn 0 V < V S < V GS - V Tn V ( V S GS VTn VS W β n = μ n C ox L ε ε SiO 0 Cox = tox 3

Charakterystyki przejściowe - Charakterystyki przejściowe tranzystora MOS tranzystor MOS z kanałem typu n 7 G S Obszar nasycenia V GS > V Tn V S > V GS V Tn > 0 V = β n ( V V GS Tn Przewodzenie podprogowe wstrzykiwanie nośników ponad barierą potencjału zatkanego kanału qψb exp V GS < V Tn odcięcie 0 kbt Charakterystyka idealizowana Wpływ rezystancji szeregowych Charakterystyka rzeczywista V GS Wpływ temperatury na charakterystyki tranzystora MOS 8 G S nmosfet W zakresie dużych prądów ujemny temperaturowy współczynnik prądu drenu : d < 0 dt Korzystny dla konstrukcji tranzystorów dużej mocy i równoległego ich łączenia. W przypadku wzrostu temperatury jednej części prąd nie kumuluje się w tej części. W zakresie małych prądów, gdzie istotne jest wstrzykiwanie nośników nad barierą potencjału, temperaturowy współczynnik prądu drenu jest dodatni. qψ B exp kbt d > 0 dt Obszar nasycenia μ T n d 1, 5 dt T 3/ (z dokładnością ok. 50% V GS 4

Napięcie progowe V Tn tranzystora MOS z indukowanym kanałem typu n 9 Krzem pod powierzchnią SiO w stanie silnej inwersji - zakrzywienie pasm Φ F. Wpływ związanego z tym spadku napięcia na tlenku bramki: - Q B /C ox gdzie Q B ładunek zjonizowanych akceptorów w warstwie opróżnionej pod tlenkiem bramki. Wpływ różnicy prac wyjścia metalpółprzewodnik Φ ms ; Wpływ ładunku elektrycznego uwięzionego na granicy tlenek-półprzewodnik i w tlenku bramki Q f : V Tn0 Q f Φms + Φ C ox FBulk Q C B ox dealizowany wykres pasmowy Wplyw VBS Wpływ napięcia podłoże źródło V BS 10 Modelowanie wpływu V BS w programiespce: V Przyłożenie napięcia V BS 0 powoduje zmianę grubości warstwy opróżnionej źródło-podłoże i pod bramką, przy granicy SiO. Zmiana ładunku zjonizowanych domieszek w warstwie opróżnionej wpływa na wartość napięcia progowego V Tn. Podłoże może być używane jako dodatkowa bramka, ale o małej skuteczności (transkonduktancji Tn Tn0 + γ ( Φ V Φ V Fbulk BS Fbulk V BS = 0 V 5

Wplyw silnego pola elektr Wpływ silnego pola elektrycznego E w kanale 11 la dużych natężeń pola elektrycznego E, w krzemie E > 10 4 V/cm, prędkość unoszenia elektronów i dziur osiągają wartości nasycenia v driftn v driftp v sat 10 7 cm/s. Tak jest w nowoczesnych tranzystorach z krótkimi kanałami. W obszarze nasycenia W ( VGS VTn = μ ncox = v C W ( V V L Kwadratowa zależność od V GS. sat ox GS Tn Liniowa zależność od V GS. S.M.Sze, Kwok K.Ng, Physics of Semiconductor evices, 3 ed, Wiley, 006 wzrastające V GS wzrastające VGS nd Generation 3-nm High-k + Metal Gate Transistors - ntel 010 1 Tranzystor MOS z kanałem typu n. Tranzystor MOS z kanałem typu p. (V S [ma/µm] Charakterystyki (V S przy ustalonych wartościach V GS Uwaga: Prąd drenu nie wzrasta z kwadratem V GS. - (V S [ma/µm] 0.8V 0.6V V GS =1.0V (V S [ma/µm] Napięcie V S ma znaczący wpływ na czyli r S 0. To są skutki bardzo krótkiego kanału, 3 nm. - (V S [ma/µm] Charakterystyki przejściowe (V GS przy ustalonych wartościach V S P. Packan i in., EM 009 ss.659-66 6

zubażany nmos -1 nmosfet z kanałem zubażanym (opróżnianym, normalnie włączony 13 Wytwarzany jest przez umieszczenie cienkiej warstwy typu n domieszkowanej donorami bezpośrednio pod tlenkiem bramki. Ten obszar tworzy ścieżkę przewodzącą źródłodren przy V GS = 0 V. Przy V GS < 0 V wbudowany kanał jest opróżniany koncentracja elektronów maleje - tranzystor zatykany maleje. Przy V GS > 0 V wbudowany kanał jest wzbogacany koncentracja elektronów wzrasta maleje. Napięcie progowe, przy którym tranzystor ulega zatkaniu wchodzi w stan odcięcia - jest ujemne V Tn < 0 V Uwaga: trudno jest zrobić MOSFET z kanałem zubażanym o transkonduktancji ( skuteczności wpływu V GS na równie dużej jak dla tranzystora z kanałem wzbogacanym. nmosfet z kanałem wzbogacanym (indukowanym, normalnie wyłączony nmosfet z kanałem zubażanym (opróżnianym, normalnie włączony 14 zubażany nmos - Napięcie progowe, przy którym tranzystor ulega zatkaniu wchodzi w stan odcięcia - jest dodatnie V Tn > 0 V Napięcie progowe, przy którym tranzystor ulega zatkaniu wchodzi w stan odcięcia - jest ujemne V Tn < 0 V 7

nmosfet z kanałem wzbogacanym (indukowanym, normalnie wyłączony nmosfet z kanałem zubażanym (opróżnianym, normalnie włączony 15 zubażany nmos - 3 Napięcie progowe, przy którym tranzystor ulega zatkaniu wchodzi w stan odcięcia - jest dodatnie V Tn > 0 V Napięcie progowe, przy którym tranzystor ulega zatkaniu wchodzi w stan odcięcia - jest ujemne V Tn < 0 V 0 V GS 0 V GS nmos i pmos - 1 nmosfet i pmosfet porównanie charakterystyk wyjściowych 16 MOSFET z kanałem indukowanym typu n MOSFET z kanałem indukowanym typu p MOSFET z kanałem zubażanym typu n MOSFET z kanałem zubażanym typu p 8

nmos i pmos - nmosfet i pmosfet porównanie charakterystyk wyjściowych 17 MOSFET z kanałem indukowanym typu n MOSFET z kanałem indukowanym typu p G S > 0 V Tn > 0 < 0 V Tp < 0 G S µ p = µ n /3 - dlatego ok. 3 razy mniejszy dla pmos niż dla nmos przy jednakowych V GS V Tn(p nmos i pmos - 3 nmosfet i pmosfet porównanie charakterystyk wyjściowych 18 MOSFET z kanałem indukowanym typu n obszar odcięcia: V GS <= V Tn 0 obszar triodowy: V GS > V Tn, 0 V < V S < V GS - V Tn V W = S βn VGS VTn VS β n = μ n C ox L obszar nasycenia: V GS > V Tn, V S > V GS V Tn > 0 V G S = β n ( ( V V GS Tn > 0 V Tn > 0 MOSFET z kanałem indukowanym typu p obszar odcięcia: V GS >= V Tp 0 obszar triodowy: V GS < V Tp, 0 V > V S > V GS - V Tp V W = ( S β p VGS VTp VS β p = μ p C ox L obszar nasycenia: V GS < V Tp, V S < V GS V Tp < 0 V < 0 V Tp < 0 ( V V GS µ p = µ n /3 - dlatego ok. 3 razy mniejszy dla pmos niż dla nmos przy jednakowych V GS V Tn(p = β p G Tp S 9

nmos i pmos - 4 nmosfet i pmosfet porównanie charakterystyk przejściowych 19 G S nmosfet z kanałem zubażanym nmosfet z kanałem indukowanym G S 0 V GS pmosfet z kanałem indukowanym G S pmosfet z kanałem zubażanym G S 0 nwerter CMOS 10

Przykładowy inwerter CMOS z tranzystorami o długości kanałów 50 nm 1 V = 1, V M pa p V wy n V we M na Graficzny sposób wyznaczania charakterystyki przejściowej inwertera CMOS Tranzystor pmos stanowi obciążenie dla pmos (i na odwrót. n =- p V Sn = V + V Sp V = 1, V V GSp = V GSn -V Odpowiadające sobie pary charakterystyk tranzystorów nmos i pmos zaznaczono tymi samymi kolorami. M pa p V wy n V we M na 11

nwerter CMOS statyczna charakterystyka przejściowa 3 V > 0 V M pa p V wy n V we M na V Zakres V V Zakres pracy tranzystora Mn Mp zatkania liniowy nasycenia liniowy nasycenia nasycenia liniowy nasycenia liniowy zatkania U we 0 V we V Tn V wy - V Tp V we V Tn V wy - V Tp V we V wy +V Tn V wy +V Tn V we V - V Tp V - V Tp V we V Napięcie przełączania inwertera CMOS 4 Charakterystyki przejściowe V wy = f(v we otrzymuje się z równań nsat nsat plin psat nlin psat = 0 = 0 = 0 rozwiązanych dla obszarów, gdzie 0. Stąd napięcie progowe V * we = V + V Tp 1+ + V Tn βn β p βn β p 1

Statyczna charakterystyka przejściowa inwertera CMOS 5 V wy Napięcie progowe V * we = V + V Tp 1+ + V Tn βn β p βn β p V we Statyczna charakterystyka przejściowa inwertera CMOS wyznaczana jest zwykle numerycznie 6 V = 1, V M pa p V wy n V we M na 13

Statyczna charakterystyka przejściowa łańcucha inwerterów różni się od charakterystyki pojedynczego inwertera 7 V = 1, V Odporność na zakłócenia: Przy prawidłowej konstrukcji bramki (inwertera statyczna charakterystyka przejściowa łańcucha bramek (inwerterów jest bardziej stroma, niż charakterystyka pojedynczej bramki (inwertera. Odporność inwertera na zakłócenia 8 Odpornosc CMOS na zaklocenia - 1 V out1 V out High V out1 = V in Przyjmijmy standardowo, że V olmax = 0,1 V oraz V ohmin = 0,9 V. Low V in1 V out Low Odporność inwertera na zakłócenia (marginesy na zakłócenia oceniamy rysując statyczną charakterystykę przenoszenia V out1 (V in, a następnie, w tym samym układzie współrzędnych V out (V out1. 14

Odporność inwertera na zakłócenia 9 Odpornosc CMOS na zaklocenia - V out1 V out Przyjmijmy standardowo, że V olmax = 0,1 V oraz V ohmin = 0,9 V. Low V out1 = V in Vin1 High V out High Odporność inwertera na zakłócenia (marginesy na zakłócenia oceniamy rysując statyczną charakterystykę przenoszenia V out1 (V in, a następnie, w tym samym układzie współrzędnych V out (V out1. Odporność inwertera na zakłócenia 30 Odpornosc CMOS na zaklocenia - 3 V out1 V out Przyjmijmy standardowo, że V olmax = 0,1 V oraz V ohmin = 0,9 V. V NMH V NML V NMH V NML V NML V Noise_Margin_Low - margines stanu niskiego na zakłócenia V NMH V Noise_Margin_High - margines stanu wysokiego na zakłócenia V out Odporność inwertera na zakłócenia (marginesy na zakłócenia oceniamy rysując statyczną charakterystykę przenoszenia V out1 (V in, a następnie, w tym samym układzie współrzędnych V out (V out1. 15

Charakterystyki Statyczne Tranzystorów 3 nm CMOS FUJTSU - 007 nmos pmos Kanały o długości 3 nm wykonane w technologii 45 nm. FUJTSU - T.Miyashita et al. EM 007 S10P03 CMOS z 30 nm kanałem TSMC 007 - CMOS z 30 nm kanałem TSMC 007 V = pmos nmos Charakterystyki wyjściowe tranzystorów MOS z kanałami typu n i p. Statyczne marginesy zakłóceń w inwerterze CMOS. EM 007, art. s10p01, TSMC 16

Przełączanie inwertera CMOS V > 0 V 33 U V we M pa V > 0 V 0 C L U wy V we M pa M na C L V wy Przy skoku V we od V do 0 V tranzystor M n szybko jest zatykany. Pojemność obciążenia C L jest ładowana do napięcia V przez M p. U M na C L 0 0 V we V V wy 0 Przy skoku V we od 0 V do V tranzystor M p szybko jest zatykany. Pojemność obciążenia C L jest rozładowywana do napięcia 0 V przez M n. Przełączanie inwertera CMOS 34 V we V M na C L V wy Przy skoku V we od 0 V do V tranzystor M p szybko jest zatykany. Pojemność obciążenia C L jest rozładowywana od V wy = V do 0 V przez M n. 0 opóki M n w zakresie nasycenia, przy V wy > V V Tn C L dv β N ( V V = 0 wy + TN dt la większych czasów t tranzystor M n wchodzi w zakres nienasycenia, przy V wy < V V Tn dv wy Vwy CL + β N Vwy ( V VTn = 0 dt Obliczamy z tych równań czas rozładowania C L do wartości V wyl, dla V wyl < V V Tn t τ ( V V Tn = + ln 1 V 1 VwyL V TN gdzie: τ = β N C L ( V V Tn Tranzystor w zakresie nasycenia Tranzystor w zakresie nienasycenia Przełączanie_inwertera_CMOS_ 17

Przełączanie inwertera CMOS 35 V > 0 V V we V 0 M pa Przy skoku V we od V do 0 V tranzystor M n szybko jest zatykany. Pojemność obciążenia C L jest ładowana do napięcia V przez M p. C L V wy Zagadnienie jest symetryczne w stosunku do analizy procesu rozładowywania C L przez M n. Należy zamienić V Tn na V TPp, β N na β P oraz V wyl na V wyh. t τ Tranzystor M p w zakresie nasycenia Otrzymujemy czas przejścia: ( V V Tp = + ln 1 V 1 V VwyH V Tp Tranzystor M p w zakresie nienasycenia gdzie: oraz V wyh > V Tp τ = β P C L ( V V Tp Przełączanie_inwertera_CMOS_3 Pobór mocy przez inwerter CMOS W nowszych rozwiązaniach technologicznych, przy grubości tlenku bramki mniejszej od 5 nm i przy zastosowaniu cienkiego dwutlenku hafnu moc związana z prądem upływu bramki może być porównywalna z mocą pobieraną na przeładowanie pojemności w układzie. Przy długościach kanałów krótszych niż 50 nm istotna może byc też strata mocy związana z prądem upływu drenźródło. P ( V + ( V + C V f tot = VGS = 0 G VGS = V L moc związana z prądem upływu -S moc związana z prądem upływu bramki moc tracona na przeładowanie C L Zmniejszenie rozmiarów tranzystorów, skalowanie, czyli zwiększenie upakowania na jednostce powierzchni krzemu, przy zachowaniu V prowadzi do zwiększania wydzielanej mocy na jednostce powierzchni. Wzrasta temperatura układu, co może prowadzić do zniszczenia. Skalując tranzystory należy zmniejszać moc wydzielaną w pojedynczej bramce. Obniżać V, a zatem również napięcia progowe V Tn i V Tp. To powoduje konieczność zmniejszania grubości tlenku bramki t ox. 18

Przełączanie ciągu inwerterów CMOS 37 U = Przykład technologii z lat 70. ługość kanału kilka µm. Symulacja - SPCE V wy /V V Technologia 008: Bramka HfO, EOT 0,5-1 nm (Equivalent Silicon ioxide Thickness, fizyczna długość bramki 3 nm: V 1 V, t d = T / 5 ps Oscylator Pierścieniowy V k /V - znormalizowane napięcia wyjściowe bramek w funkcji znormalizowanego czasu Nieparzysta ilość inwerterów tworzy oscylator pierścieniowy (ring oscillator. Z generowanej częstotliwości f określa się czas przełączania bramki, czyli czas opóźnienia pojedynczego stopnia (delay time f 1 = n ( t plh + t t plh + t phl td = oscil phl gdzie t plh oraz t phl czasy przełączania ze stanu niskiego do wysokiego i odwrotnie. Czas przełączania bramek z większą ilością wejść jest trochę dłuższy. 19

Szybkość Przełączania nwerterów CMOS nwertery CMOS tranzystorami o długości kanałów 3 nm (wykonane w technologii 45 nm, ntel - 009r. mają czas opóźnienia t d = 5,1 ps. Opóźnienie stopnia [ps] większa - mniejsza grubość izolatora bramki =V =V Prąd w stanie odcięcia tranzystorów [na/µm] EM 007, art. s10p0, ntel 40 Układy Logiki Kombinacyjnej 0

Konstruowanie niewielkich podukładów logiki kombinacyjnej - bramek 41 Powinniśmy się zdecydować na: 1 rodzaj używanych tranzystorów, ale na razie powiedzmy tylko, że są to tranzystory MOS, pozostawiając typ kanału do późniejszego wyboru; polaryzację napięcia zasilania wybierzmy dodatnie napięcie zasilania, V > 0 V, z biegunem ujemnym połączonym z masą, V SS = 0 V; 3 sposób przypisania napięciom wartości logicznych wybierzmy: wartość logiczna 0 1 napięcie względem masy V L 0 V V H > 0 i V H» V L assignments 4 Układy Logiki Kombinacyjnej CMOS AO (And-Or-nvert 1

Konstruowanie niewielkich podukładów logiki kombinacyjnej - bramek 43 Niech konstruowany układ realizuje funkcję logiczną F: F(A 1,A,...A n = not f(a 1,A,...A n Wprowadźmy pojęcie elementu obciążenia R L, który nie musi być rezystorem, ale na którym występuje spadek napięcia pod wpływem przepływającego prądu. Pozostałe elementy (tranzystory traktujmy jako idealne klucze, a ich połączenie zastąpmy pojedynczym kluczem S n zwartym przy odpowiedniej kombinacji A 1,A,...A n. V W tym układzie klucz S n jest zwarty, kiedy F(A 1,A,...A n = 0, to znaczy kiedy f(a 1,A,...A n = 1. F = f R L Sn V out = V F switch_resistor_ V SS = 0 V Konstruowanie niewielkich podukładów logiki kombinacyjnej - bramek 44 Niech konstruowany układ realizuje funkcję logiczną F: F(A 1,A,...A n = not f(a 1,A,...A n Alternatywnie układ naszej bramki można przedstawić jako: W tym układzie klucz S p jest zwarty, kiedy F(A 1,A,...A n = 1, to znaczy kiedy not f(a 1,A,...A n = 1. F = f V Sp V out = V F R L V SS = 0 V switch_resistor_3

Konstruowanie niewielkich podukładów logiki kombinacyjnej - bramek 45 Niech konstruowany układ realizuje funkcję logiczną F: F(A 1,A,...A n = not f(a 1,A,...A n Jeszcze inaczej układ naszej bramki można przedstawić jako połączenie dwóch kluczy S n i S p : Klucz S p jest zwarty, kiedy F(A 1,A,...A n = 1, to znaczy kiedy not f(a 1,A,...A n = 1. Klucz S n jest zwarty, kiedy F(A 1,A,...A n = 0, to znaczy kiedy f(a 1,A,...A n = 1. F = f F = f V Sp V out = V F Sn V SS =0 V switch_resistor_4 Funkcje realizowane przez klucze 46 Równoległe połączenie kluczy przewodzi prąd, kiedy którykolwiek jest zwarty - realizowana jest logiczna funkcja OR Szeregowe połączenie kluczy przewodzi prąd, kiedy wszystkie są zwarte - realizowana jest logiczna funkcja AN 3

Od funkcji logicznej przez klucze do układu bramki z tranzystorami nmos 47 Rozważmy przykładową funkcję logiczną F: nmos_from_funct_to_circuit F(A 1,A,A 3 = not f = not (A 1 A + A 3 wyrażoną w postaci zaprzeczenia sumy iloczynów logicznych. Zastąpmy teraz klucz S n w pierwszym z omówionych układów odpowiednim połączeniem tranzystorów nmos. V V V R L R L R L V out =V F V out =V F V out =V F F = f = A 1 A +A 3 = 1 S n A 1 A A 3 A A 3 A 1 Sterowany klucz jest zwarty gdy not F = f =1 Równoległe połączenie kluczy zwieranych przez iloczyny logiczne loczyn reprezentowany przez szeregowe połączenie kluczy Klucz zwierany sygnałem A n reprezentuje nmos z kanałem indukowanym Rezystor jako element obciążenia w bramkach z tranzystorami nmos 48 Przykładowa funkcja logiczna: F(A 1,A,A 3 = not f = not (A 1 A + A 3 wady: Prąd ładujący pojemność dołączoną do wyjścia zmienia się z napięciem na wyjściu. Powolne działanie. Nieostra statyczna charakterystyka przejściowa. Trudno wykonać rezystor i zajmuje on dużą powierzchnię. Pobór mocy w stanie statycznym. Podłączyć podłoża nmos do najniższego potencjału w układzie 4

Wzbogacany tranzystor nmos jako element obciążenia w bramkach z tranzystorami nmos 49 Przykładowa funkcja logiczna: F(A 1,A,A 3 = not f = not (A 1 A + A 3 wady: Prąd ładujący pojemność dołączoną do wyjścia zmienia się z napięciem na wyjściu. Powolne działanie. Napięcie wyjściowe w stanie wysokim niższe od napięcia zasilania. Można tego uniknąć, jednak w takim razie wymagane dodatkowe napięcie zasilania V GG > V. Nieostra statyczna charakterystyka przejściowa. Pobór mocy w stanie statycznym. zalety: Łatwiej wykonać tranzystor niż rezystor i zajmuje on mniejszą powierzchnię. Zubażany tranzystor nmos jako element obciążenia w bramkach z tranzystorami nmos 50 Przykładowa funkcja logiczna: F(A 1,A,A 3 = not f = not (A 1 A + A 3 wady: Konieczność wytworzenia tranzystorów z kanałami zubażanymi oprócz tranzystorów z kanałami wzbogacanymi. Pobór mocy w stanie statycznym. zalety: Prąd ładujący pojemność dołączoną do wyjścia nie zmienia się z napięciem na wyjściu. Szybkie działanie. Napięcie wyjściowe w stanie wysokim równe napięciu zasilania. Ostra statyczna charakterystyka przejściowa. 5

Od funkcji logicznej przez klucze do układu bramki z tranzystorami pmos i obciążeniem dołączonym do masy 51 Zastąpmy teraz klucz S p odpowiednim połączeniem tranzystorów pmos. Trzeba pamiętać, że zwarcie klucza w postaci tranzystora pmos z indukowanym kanałem następuje wskutek podłączenia niskiego potencjału do bramki odpowiedniego tranzystora, czyli dla A i = 0, czyli not A i = 1. Zapiszmy więc naszą przykładową funkcję w postaci iloczynu logicznego sum zaprzeczeń zmiennych wejściowych: F = f = A 1 A +A 3 = 1 Sterowany klucz jest zwarty gdy F = not f =1 V S p V out =V F R L F(A 1,A,A 3 = not f = not (A 1 A + A 3 = not (A1 A not A3 =(not A1 + not A not A3 Od funkcji logicznej przez klucze do układu bramki z tranzystorami pmos i obciążeniem dołączonym do masy 5 Od funkcji.. do.. pmos i obciążeniem dołączonym do masy_ Zapisaliśmy funkcję w postaci iloczynu logicznego sum zaprzeczeń zmiennych wejściowych: F = not f = (not A1 + not A not A3 Pamiętamy, że zwarcie klucza w postaci tranzystora pmos z ind. kanałem następuje wskutek podłączenia niskiego potencjału do odpowiedniej bramki tranzystora, A i = 0 czyli A i = 1. V V V A 3 A 3 F = f = A 1 A +A 3 = 1 S p V out =V F A 1 A = A 1 +A V out =V F A 1 A R L R L R L V out =V F Sterowany klucz jest zwarty gdy F = not f =1 Szeregowe połączenie kluczy zwieranych przez sumy logiczne Suma reprezentowana przez równoległe połączenie kluczy Klucz zwierany sygnałem not A i reprezentuje pmos z kanałem indukowanym 6

Uwaga_logika_z_pMOS Pomocniczy układ bramki z tranzystorami pmos i obciążeniem dołączonym do masy Nasza przykładowa funkcja logiczna 53 F(A 1,A,A 3 = not f = not (A 1 A + A 3 jest więc realizowana przez układ z tranzystorami pmos z kanałami wzbogacanymi Podłączyć wyspy pmos do najwyższego potencjału w układzie Pamiętamy, że zwarcie klucza w postaci tranzystora pmos z ind. kanałem następuje wskutek podłączenia niskiego potencjału do odpowiedniej bramki tranzystora, A i = 0 czyli A i = 1. Uwaga: Logika pmos jest wolna, a wykonanie rezystorów mało precyzyjne i wymaga wiele miejsca na krzemie, więc tak nie robi się układów w praktyce. Ale podobnie projektuje się część układu z pmos w cyfrowych układach CMOS. Bramki logiczne w technologii CMOS 54 Z układu zastępczego z dwoma kluczami S n i S p można wyprowadzić strukturę układu w technologii CMOS V V > 0 V F = f Sp M pa V out = V F V out = V F F = f Sn A M na V SS =0 V inwerter F(A = not f(a = not A 7

Bramki logiczne w technologii CMOS Bramki logiczne w technologii CMOS 55 Zapiszmy naszą przykładową funkcję w dwóch postaciach: F(A 1,A,A 3 = Połączmy oba układy eliminując R - otrzymamy bramkę logiczną CMOS iloczynu logicznego sum zaprzeczeń zmiennych wejściowych F = (not A 1 + not A not A 3 Zaprojektujmy układ bramki z pmos i R zaprzeczenia sumy iloczynów logicznych zmiennych wejściowych F = not (A 1 A + A 3 Zaprojektujmy układ bramki z nmos i R Podłoża nmos do najniższego potencjału, wyspy pmos do najwyższego potencjału w układzie Bramki logiczne w technologii CMOS Symbole tranzystorów MOS 56 Podłączyć podłoża nmos do najniższego potencjału, wyspy pmos do najwyższego potencjału w układzie 8

57 Bramki transmisyjne w technologii CMOS Bramki transmisyjne w technologii CMOS 58 stan Φ 0 1 przejście pomiędzy P1 i P nie przewodzące przewodzące przełączniki nmos pmos OFF OFF ON ON 9

Bramki transmisyjne w technologii CMOS 59 Bramki transmisyjne w technologii CMOS 60 30

61 ziękuję za uwagę 6 31