depletion 型（空乏，減少） course/semicon_m...2004.12.09 okm e型とd型 n-mos の場合...

2004.12.09 OKM

Ｅ型とＤ型

n-MOS の場合エンハンスメント型

– Enhancement 型（高揚，増進）

– VTH > 0– normally off 型ともいう

デプレション型

– Depletion 型（空乏，減少）

– VTH < 0– normally on 型ともいう

VGS

QC

VTH

ED

0

⇒出力電流

⇒入力電圧

2004.12.09 OKM

P-SPICE モデルパラメータ

.model ENMOS NMOS(Level=3 Gamma=0 Delta=0 Eta=0 Theta=0 Kappa=0 Vmax=0 Xj=0

+ Tox=100n Uo=600 Phi=.6 Rs=1.624m Kp=20.53u W=2u L=2u Vto=1

+ Rd=1.031m Rds=4e10 Cbd=3e-14 Pb=.8 Mj=.5 Fc=.5 Cgso=9.027n

+ Cgdo=1.679n Rg=13.89 Is=194E-18 N=1 Tt=288n)

* 2u*2u E(Vt=1V)NMOS

* 94-8-31 TOcreation

.model DNMOS NMOS(Level=3 Gamma=0 Delta=0 Eta=0 Theta=0 Kappa=0 Vmax=0 Xj=0

+ Tox=100n Uo=600 Phi=.6 Rs=1.624m Kp=20.53u W=2u L=8u Vto= -3

+ Rd=1.031m Rds=4e10 Cbd=1.2e-13 Pb=.8 Mj=.5 Fc=.5 Cgso=9.027n

+ Cgdo=1.679n Rg=13.89 Is=194E-18 N=1 Tt=288n)

* 8u*2u D(Vt=-3V)MOS


2004.12.09 OKM

n-MOSの伝達特性

0

50

100

150

200

-4 -2 0 2 4

IDSS(E) [uA]IDSS(D) [uA]

I DSS

[ µA

]

VGS

[V]

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

-4 -2 0 2 4

IDSS(E) [A]

IDSS(D) [A]

I DSS

[A]

VG [V]

D-MOSD-MOS

E-MOSE-MOS

sub-threshold領域

2004.12.09 OKM

n-MOSの出力特性

E-MOS D-MOS

0

10

20

30

40

50

0 1 2 3 4 5

model_MOS_E.qda

I DS [ µ

A]

VDS

[V]

VGS

= +2 V

VGS

= +3 VVGS

= +4 VVGS

= +5 V

VGS

= +1 V0

10

20

30

40

50

0 1 2 3 4 5

model_MOS_D.qda

VGS

= -2 V

VGS

= -1 V

VGS

= +0 V

VGS

= +1 V

VGS

= -3 V

I DS [ µ

A]

VDS

[V]

2004.12.09 OKM

抵抗負荷の場合の基本インバータ特性

0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3 4 5

+2 V

+3 V+4 V+5 V

VGS

< +1 V

I DS [ µ

A]

VDS

[V]

VGS

= +2.5 V

0 V

= VDS

RL = 218 kΩ

VDD = +5 V

VGS = +5 V

0 V

Vout

IDS

S

GD

sub

= Vout

2004.12.09 OKM

負荷曲線（1）

= VDS

RL = 218 kΩ

VDD = +5 V

VGS = +5 V

0 V

Vout

IDS

S

GD

sub

0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3 4 5

I [µA

]

V [V]

0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3 4 5

I DS [ µ

A]

Vout

[V] VDD

= VDD - IDSRL

2004.12.09 OKM

負荷曲線（2）

= VDS

RL = 218 kΩ

VDD = +5 V

VGS = +5 V

0 V

Vout

IDS

S

GD

sub

= VDD - IDSRL 0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3 4 5

+2 V

+3 V+4 V+5 V

VGS

< +1 V

I DS [ µ

A]

VDS

[V]

VGS

= +2.5 V

0 V

VDD

2004.12.09 OKM

一世代前のLSI E/D構成

MOSのしきい値制御が困難な時代．– E-MOSのみ

– 電子移動度＞正孔移動度 n-MOS

– LSIでは純抵抗はパターンの占有面積大．

– E-MOSを負荷とするE/E構成．

イオン注入によるチャネルドープ– しきい制御が精密に可能 D-MOSを部分形成．

– D-MOSを負荷とするE/D構成．

同一基板上にn/p混載 CMOS

2004.12.09 OKM

E/E,E/D インバータゲート

D-MOS

Ｖ OUT

E-MOS

GND

Ｖ DD

拡散層（ソース、ドレイン、　　配線を兼ねる）

ゲート電極

Ｖ IN

G

D

E-MOS (n)

E-MOS (n)

G

S

D-MOS (n)

E-MOS (n)

2004.12.09 OKM

active load (E-MOS)

G

D

E-MOS (n)

E-MOS (n)

0

10

20

30

40

50

0 1 2 3 4 5

model_MOS_E.qda

I DS [ µ

A]

VDS

[V]

VGS

= +2 V

VGS

= +3 VVGS

= +4 VVGS

= +5 V

VGS

= +1 V

0 V 2 V

2 V

S DG

V(IDS)

2004.12.09 OKM

active load (E-MOS)

G

D

E-MOS (n)

E-MOS (n)

Vout

0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3 4 5

+2 V

+3 V+4 V+5 V

VGS

< +1 V

I DS [ µ

A]

VDS

[V]

VGS

= +2.5 V

0 V

= VDD - V(IDS)

2004.12.09 OKM

active load (D-MOS)

0 V 2 V

G

S

D-MOS (n)

E-MOS (n)

0 VG V(IDS)

DS

0

10

20

30

40

50

0 1 2 3 4 5

model_MOS_D.qda

VGS

= -2 V

VGS

= -1 V

VGS

= +0 V

VGS

= +1 V

VGS

= -3 V

I DS [ µ

A]

VDS

[V]

2004.12.09 OKM

active load (D-MOS)

Vout

0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3 4 5

+2 V

+3 V+4 V+5 V

VGS

< +1 V

I DS [ µ

A]

VDS

[V]

VGS

= +2.5 V

0 V

= VDD - V(IDS)

G

S

D-MOS (n)

E-MOS (n)

2004.12.09 OKM

負荷による伝達特性の比較

D-MOS負荷の場合が最も急峻な特性．

5 V

4 V

0 V0 V 5 V

0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3 4 5

+2 V

+3 V+4 V+5 V

VGS

< +1 V

I DS [ µ

A]

VDS

[V]

VGS

= +2.5 V

0 V

入力電圧

出力電圧

E-MOS

D-MOS

R

2004.12.09 OKM

負荷による過渡応答の違い

D-MOS負荷の場合が過渡応答も急峻．

0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3 4 5

+2 V

+3 V+4 V+5 V

VGS

< +1 V

I DS [ µ

A]

VDS

[V]

VGS

= +2.5 V

0 V

過渡応答波形

ＶIN

ＶOUT

D-MOS

E-MOS

R

60ns 80ns 100ns 120ns50ns

TimeV(2)

-0.5V

6.0VV(1)

-0.5V

6.0V

SEL>>

2004.12.09 OKM

E/D インバータの遅延

pull-up と pull-down で応答速度が違う．

VDD

VIN

1

2

ME1

MD1

VOUT

2

3

ME2

MD2

４

60ns 80ns 100ns 120n50ns

TimeV(4)

-0.5V

5.5VV(2)

-0.5V

5.5VV(1)

-0.5V

5.5V

SEL>>

VIN

V２

V４pull down

pull down

pull up

pull up

2004.12.09 OKM

一世代前のLSI E/D構成

MOSのしきい値制御が困難な時代．– E-MOSのみ

– 電子移動度＞正孔移動度 n-MOS

– LSIでは純抵抗はパターンの占有面積大．

– E-MOSを負荷とするE/E構成．

イオン注入によるチャネルドープ– しきい制御が精密に可能 D-MOSを部分形成．

– D-MOSを負荷とするE/D構成．

同一基板上にn/p混載 CMOS

2004.12.09 OKM

消費電力

抵抗負荷あるいはn-MOS負荷の場合

+ 5 V

2004.12.09 OKM

状態維持に電力が必要

２段目を “0 (low)” に保つときに電力を消費

+ 5 V

0 V

R L定常電流

5/ R L

+ 5 V

+ 5 V

R L電流ゼロ

2004.12.09 OKM

C-MOS（相補型MOS）

Complementary MOS

C-MOSインバータゲートV DD = +5 V

出力

V SS = 0 V

入力

S

G

G

D

S

E-MOS(p)

E-MOS(n)

2004.12.09 OKM

nMOS, pMOSの伝達特性

VGS

IDSS

VTH(n)

nMOS

0

pMOS

VTH(p)

2004.12.09 OKM

CMOSインバータの消費電力（定常）

電源から接地に至る経路は，いずれの状態

においてもp-MOSまたはn-MOSで遮断．

+ 5 V

0 V

pMOS

nMOS

+ 5 V0 V

+ 5 V

5 V

pMOS

nMOS

V DD = +5 V

出力

V SS = 0 V

入力

S

G

G

D

S

E-MOS(p)

E-MOS(n)

0 V > -1 V -5 V < -1 V

+5 V > 1 V 0 V < 1 V

2004.12.09 OKM

P-SPICE モデルパラメータ

.model EPMOS PMOS(Level=3 Gamma=0 Delta=0 Eta=0 Theta=0 Kappa=0 Vmax=0 Xj=0

+ Tox=100n Uo=300 Phi=.6 Rs=70.6m Kp=10.15u W=2u L=2u Vto=-1

+ Rd=60.66m Rds=4e10 Cbd=2.141n Pb=.8 Mj=.5 Fc=.5 Cgso=877.2p

+ Cgdo=369.3p Rg=.811 Is=52.23E-18 N=2 Tt=140n)

* 2u*2u E(Vt=-1V)PMOS


.model ENMOS NMOS(Level=3 Gamma=0 Delta=0 Eta=0 Theta=0 Kappa=0 Vmax=0 Xj=0

+ Tox=100n Uo=600 Phi=.6 Rs=1.624m Kp=20.53u W=2u L=2u Vto=1

+ Rd=1.031m Rds=4e10 Cbd=3.229n Pb=.8 Mj=.5 Fc=.5 Cgso=9.027n

+ Cgdo=1.679n Rg=13.89 Is=194E-18 N=1 Tt=288n)

* 2u*2u E(Vt=1V)NMOS


2004.12.09 OKM

出力静特性

0V 2V 4V

200uA

100uA

0A

VDS

IDS

nMOS

pMOS

VGS = 5 V

4 V

3 V

2 V

−4 V

VGS = −5 VVTH = +1 V

VTH = -1 V

2004.12.09 OKM

負荷としての pMOS

0V 2V 4V

200uA

100uA

0A

Vout = VDS(n) = VDD − VDS(p)

VGS(n) = Vin = 5 V

VGS(p) = Vin − VDD = 0 − 5 = −5V

V DD = +5 V

出力

V SS = 0 V

入力

S

G

G

D

S

E-MOS(p)

E-MOS(n)

2004.12.09 OKM

CMOS基本インバータゲートの伝達特性と消費電力

0V 5Vid(M1)

20uA

0ASEL>>

v(N)

5.0V

0VVDD/2

① ② ③ ④ ⑤

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