IN 241 VLSI-konstruksjon Løsningsforslag til ukeoppgaver uke 36

Transkript

1 IN 41 VLI-konstruksjon Løsningsforslag til ukeoppgaver uke 36 1) Beregn forsterknings faktoren ß for en nmofet fabrikkert i en prosess med: µ = 600cm/V s (Elektronmobilitet for n-dopet materiale) ε = 5 ε 0 = E-14F/cm (Permittivitet til gate-oksydet) t ox = 500Å (Tykkelse på gate-oksyd,1å=10e-10 m) W/L = µm/1.µm Beregning av β. µε β W 600 cm ' 13 F t ---- L cm = = ox µm cm 1.µm 6 = F = µa V (1) ) Nevn noen av de viktigste faktorene som bestemmer transkonduktansen =di ds /dv gs, for en MOFET. Altså gatespenningens innvirkning på drain-source strømmen ved en gitt drain-source spenning. Transkonduktans er definert som I ds = V ds = konstant () og representerer variasjon i drain-source strøm som funksjon av variasjon i gate-source spenning. Lineært område: t ox V β ( V gs V t )V ds ds = = βv ds uε = W ---- L V ds (3) Metning: β( V gs V t ) = = β( V gs V t ) uε = W ---- L ( V gs V t ) t ox (4) 1

2 Faktorer som virker inn på : o Transistoren lengde L Kortere avstand gir større elektrisk felt i kanalen for en gitt V ds. ette fører til at ladningsbærerne får større akselerasjon og bruker kortere tid gjennom kanalen. ermed kommer flere ladningsbærere gjennom pr. tidsenhet, og strømmen øker. o Transistorens bredde W. Jo større bredde, desto større antall ladningsbærere kan bevege seg «i parallell» mellom source og drain o Tykkelsen på gate isolatoren t ox Jo tynnere tox, desto sterkere felt mellom gate og bulk, og desto flere ladningsbærere vil dras opp i kanalen. En annen måte åsi det samme påer at et tynt gate-oksyd gir en stor gate-kapasitans, slik at mye ladning kan holdes på gate. o ate isolatorens permittivitet ε Jo høyere permittivitet, desto høyere gate-kapasitans, og større ladning på gate. o Ladingsbærerenes mobilitet µ. En høy mobilitet betyr at ladningsbærerne sitter «løst» og er lette åfåakselerert. Jo høyere mobilitet, desto flere ladningsbærere vil passere kanalen pr. tidsenhet, og desto høyere strøm. o Terskel spenningen V t Jo lavere V t, desto større andel av gate-spenningen vil brukes til åtrekke ladninger opp i kanalen. Terskelspenningen påvirkes bl.a. av gate-kapasitansen og dopingstettheten i kanalen. Fordi stor gate-kapasitans gir lav terskelspenning, vil transistorer med høy ha forholdsvis lav V t. 3. Beregn transkonduktansen i metning, (sat), for en nmo transistor med: ß = 16µA/V V t = 1.0V (Terskelspenning) λ = 0.03V 1 (Kanal-lengde-modulasjonsfaktor, 1/V 0 ) Ta med kanallengde-modulasjon i beregningen. Hvordan påvirkes transkonduktansen ved å se bort fra kanallengde-modulasjonen? trøm i metning inkludert Early effekt: ( I ds β V gs V t ) = ( 1 + λv ds ) (5) Transkonduktans i metning inkludert Early effekt: = β( V gs V t )( 1 + λv ds ) = 16 ua ( V gs 1V )( V 1 ) V V ds (6) Early effekt gir 15% økning i for Vds=5V.

3 4. Hvordan vil body effekt kunne begrense virkemåten til en: - nmo transistor. - pmo transistor. Body effekt reduserer effektiv gate spenning s-vt Eksempel: nmo transistor brukt til å trekke en node opp mot Vdd. Vdd Vdd V bedre løsning: bulk =0V V bulk =5V Vd Problem: Økning i V sb gir økt V t - transistoren klarer ikke ådra opp V s til V. om bryter mot Vdd vil denne løsningen være svært dårlig. Løsning: Bytte til pmo transistor. Eksempel: pmo transistor brukt til å trekke en node ned mot nd. Vd V bulk =5V bedre løsning: V bulk =0V Problem: Økning i V sb gir økt V t - transistoren klarer ikke ådra ned V s til nd. om bryter mot Vdd vil denne løsningen være svært dårlig. Løsning: Bytte til nmo transistor. enerelt: Body effekt gir mindre strøm - lavere hastighet. 5. Hvordan kan man bruke en enkel nmo transistor som konstant strøm kilde? Hvilke mekanismer gjør at en slik løsning ikke er ideell? Hvordan stiller det seg om vi lar transistoren operere i svak inversjon? Er det noen måter man kan designe transistoren på for å øke utgangs impedansen (minke drainkonduktansen)? Rut V bias II I 3

4 Uønskede egenskaper: I: Early effekt - endelig utgangs impedans (Ladningstransport ved diffusjon) Årsak: Kanalforkortning. II: Resitiv oppførsel for lav (Ladningstransport ved drift) Årsak: ledende kanal hele veien, kanalens minimums tykkelse sterkt avhengig av Vds. vak inversjon s<vt (Ladningstransport ved iffusjon) Fordel: Transistoren går umiddelbart i metning Ulempe: Meget lite strøm potensial typ <1uA Forbedret design: - Økning av transistorens lengde L gir økt Early spenning - økt utgangsimpedans - Bieffekt: Mindre β. Kan kompenseres ved økt bredde W eller økt V gs 4

5 6) Når vi for en nmo transistor har at s-vt>vds>0 sier vi at den befinner seg i det lineære eller resitive området. Fra 1. ordens hockley ligningene(s.51 i læreboka), utled et uttrykk som rettferdiggjør dette begrepet. kisser det lineære/resitive området i en drain-source karakteristikk. Ids(Vds) Resitiv oppførsel. =/R V bias Lineært område: s-vt > Vds > 0 Har da at V I ds = β ( V gs V t )V ds ds (7) = V ds βv ds ( V gs V t ) βv ds ( V gs V t ) dermed I ds V ds R ds 1 = , R ds = β( V gs V t ) (8) 5