motivation for lecture cmos symboler cmos transistors. mos ... · pinch-off p v-n + n + v ds gs...

8
Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se Digital Integrated Circuits Viktor Öwall Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se Motivation for Lecture To see how standard gates are implemented with transistors? How does technology affect the performance, e.g. speed and power consumption? What has happened with technology scaling? Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se For digital design we use CMOS transistors. p - N-Channel Gate Drain Source n + n + Solid State Physics V DS [V] I D V GS I d Electrical Characteristics g m V gs g o V gs V ds drain source gate Small Signal Model (amplifier design) GND V DD Digital – transistor as a switch Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se CMOS symboler gate drain source NMOS PMOS Most common when digital design The Bulk/Substrate is assumed to be connected to GND/VDD if nothing else specified. Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se p - n + n + Gate Drain Source substrat Courtesy of Intel Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se N-channel A channel when a positive gate-source voltage, V GS , larger than the threshold voltage is applied, V T , is applied appliceras. MOS transistor N-channel 0 ( 2 2 ) T T F SB F V V V γ φ φ = + + p - n + n + Gate Drain Source Gate-oxid (isolerande) substrat F Fermi Potential φ = Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se Depletion p - Depletion Region n + n + V GS >0 V GS > 0; e - charge is attracted Source Drain Gate Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se A channel is created p - Depletion Region n + n + V GS >V T N-kanal V GS > 0; e - laddningar attraheras V GS > V T , Strong inversion channel Source Drain Gate

Upload: buidat

Post on 31-Jul-2019

230 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Motivation for Lecture CMOS symboler CMOS transistors. MOS ... · Pinch-off p V-n + n + V DS GS >V T V DS =V GS-V T I D When VDS = VGS-VT! No new charge to the channel The current

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Digital Integrated Circuits

Viktor Öwall

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Motivation for Lecture

•  To see how standard gates are implemented with transistors?

•  How does technology affect the performance, e.g. speed and power consumption?

•  What has happened with technology scaling?

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

For digital design we use CMOS transistors.

p- N-Channel

Gate Drain Source

n+ n+

Solid State Physics V DS [V]

I D

V GS

I d

Electrical Characteristics

gmVgs goVgs Vds

drain

source

gate Small Signal Model (amplifier design)

GND

VDD

Digital – transistor as a switch

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

CMOS symboler

gate

drain

source

NMOS PMOS

Most common when digital design

The Bulk/Substrate is assumed to be connected to GND/VDD if nothing else specified.

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

p -

n + n +

Gate Drain Source

substrat

Courtesy of Intel

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

N-channel A channel when a positive gate-source voltage, VGS, larger than the threshold voltage is applied, VT, is applied appliceras.

MOS transistor N-channel

0 ( 2 2 )T T F SB FV V Vγ φ φ= + − + − −

p -

n + n +

Gate Drain Source

Gate-oxid (isolerande)

substrat

F Fermi Potentialφ =

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Depletion

p - Depletion

Region

n + n +

V GS >0

VGS > 0; e- charge is attracted

Source Drain Gate

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

A channel is created

p - Depletion

Region

n + n +

V GS >V T

N-kanal

VGS > 0; e- laddningar attraheras

VGS > VT, Strong inversion a channel

Source Drain Gate

Page 2: Motivation for Lecture CMOS symboler CMOS transistors. MOS ... · Pinch-off p V-n + n + V DS GS >V T V DS =V GS-V T I D When VDS = VGS-VT! No new charge to the channel The current

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Linjära Regionen 0 < VDS < VGS-VT

e- (elektroner) from Source to Drain

p -

n + n +

V GS >V T

V DS <V GS -V T

I D

x

Source Drain Gate

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

ID as a function of VDS

V DS [V]

I D

V GS

V GS

V GS

Linear Region

Increasing VGS

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Pinch-off

p -

n + n +

V GS >V T

V DS =V GS -V T

I D

When VDS = VGS-VT No new charge to the channel

The current saturates

TGS VxVV >− )(Channel voltage

Source Drain Gate

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Slope due to velocity saturation in short channel devices

V DS [V]

I D V GS

V GS

V GS

Linear

Saturation

Pinch-off TGSDS VVV −=

ID as a function of VDS

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

ID as a function of VGS Linear Saturation

What is ID when VGS=0? Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

DrainSource Gate

CDB

n+n+

CG

CGDCGS

CSB

Xd

tox

Kapacitanser

Bulk Cap. Junction Cap. Overlap Cap.

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

NMOS transistor as a switch

V DS [V]

I D

V GS

V GS

V GS vin

vin=“low” a “open”

vin=“high” a “short”

Increasing VGS

G S

D

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

PMOS transistor as a switch

V DS [V]

I D

V GS

V GS

V GS

vin

VDD

G D

S

vin=“high” a “open”

vin=“low” a “short”

Page 3: Motivation for Lecture CMOS symboler CMOS transistors. MOS ... · Pinch-off p V-n + n + V DS GS >V T V DS =V GS-V T I D When VDS = VGS-VT! No new charge to the channel The current

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

The CMOS Inverter

GND

VDD

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

GND

V DD

“high” in a NMOS “short” PMOS “open”

Out connected to GND a “low”

CMOS Inverter with transistorn as a switch

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

GND

V DD

I D

CMOS Inverter with transistorn as a switch

“high” in a NMOS “short” PMOS “open”

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

GND

V DD

“low” in a NMOS “open” PMOS “short”

Out connected to VDD a “high”

CMOS Inverter with transistorn as a switch

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

The CMOS Inverter

GND

VDD

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

CMOS Inverter

VOUT

VIN

Ideal ”Real”

”Vdd/2”

V OUT N Off P Lin

V IN

N Lin P Off

N Sat P Sat

N Sat P Lin

N Lin P Sat

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

P-Substrate

N-Well

N-Channel

P-Channel

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

V DD

A B

B

GND

A

A B OUT

0 1

1 1 1

0 0

0 OUT

Truth Table

Logic gates, NAND

Page 4: Motivation for Lecture CMOS symboler CMOS transistors. MOS ... · Pinch-off p V-n + n + V DS GS >V T V DS =V GS-V T I D When VDS = VGS-VT! No new charge to the channel The current

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Logic gates, NAND V

DD

A B

B

GND

A

A B OUT

0 1

1 1 1

0 0

0 1 1 1 0 OUT

Sanningstabell

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

V DD

B

GND

A B OUT

0 1

1 1 1

0 0

0 1 1 1 0 OUT

Sanningstabell A

A

B

Logic gates, NAND

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

V DD

B

GND

A B OUT

0 1

1 1 1

0 0

0 1 1 1 0 OUT

Sanningstabell A

A

B

Logic gates, NAND

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

V DD

B

GND

A B OUT

0 1

1 1 1

0 0

0 1 1 1 0 OUT

Sanningstabell A

A

B

Logic gates, NAND

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

V DD

B

GND

A B OUT

0 1

1 1 1

0 0

0 1 1 1 0 OUT

Sanningstabell A

A

B

Logic gates, NAND

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Logic Gates, AND

A

GND

B

AND

VddVdd

NAND

PMOS

NMOS

GND

Vdd

&

US

A B NAND

0 1

1 1 1 0

0 0 1

1 1 0

NAND + Inverter a AND

Europe

V DD A B

B

NAND f

GND

AND f A

AND

0 0 0 1

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Two Input NAND/ AND

0.8 m

CMOS

NAND

Inverter

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Logic Function?

V DD

A

B

B

GND

A

A B OUT

OUT

Sanningstabell

0 1

1 1 1

0 0

0

Page 5: Motivation for Lecture CMOS symboler CMOS transistors. MOS ... · Pinch-off p V-n + n + V DS GS >V T V DS =V GS-V T I D When VDS = VGS-VT! No new charge to the channel The current

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Logic Function: NOR

V DD

A

B

B

GND

A

A B OUT

OUT

Sanningstabell

0 1

1 1 1

0 0

0 0

0 0

1

≥ 1

US Europe

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

This is called Complementary Logic

V DD

A B

B

GND

A OUT Properties:

+ rail to rail swing , i.e.out = VDD or GND + ”no” static power, i.e. either PUN or PDN off - Many transistors

Pull up network

Pull down network

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Pseudo-NMOS Gates V

DD

B

GND

A OUT

Pull up network

Pull down network

Properties: + fewer transistors + in the eayrly years there was only NMOS - Static power consumption -  Low input ”not 0”

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Pseudo-NMOS Gates V

DD

B

GND

A OUT

Pull up network

Pull down network

Properties: + fewer transistors - Static power consumption -  Low input ”not 0”

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

More complex functions: an adder

i+1 b i+1 a i b i a

i cin

i+1 cout

msb b msb a

msb cin

msb cout

Memory digit

lsb = least signifcant bit

msb = most signifcant bit

sumi sumi+1 summsb

What is the maximum delay?

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

More complex functions: a carry ripple adder

i+1 b i+1 a i b i a

i cin

i+1 cout

msb b msb a

msb cin

msb cout

Memory digit

lsb = least signifcant bit

msb = most signifcant bit

sumi sumi+1 summsb

What is the maximum delay?

Max delay?

Max delay

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Full Adder in CMOS, 1 bit

C o

C B A B

A A

B B A

C

C C

C

C

A A

A A

B B

B

B

S

V DD

V DD V DD

V DD S C o

A and B: in C: memory in S: sum Co: memory out

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

14 bitars adderare

Page 6: Motivation for Lecture CMOS symboler CMOS transistors. MOS ... · Pinch-off p V-n + n + V DS GS >V T V DS =V GS-V T I D When VDS = VGS-VT! No new charge to the channel The current

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Some properties:

•  Speed •  Power consumption

L is what we refer to as the process/technology/… node e.g. 45nm, 32nm,…

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Speed, simplified model

Reduced capacitance give faster circuits: smaller transistors a less capacitance

2L

)( TDD

DDpd VVk

VCT−⋅=

fkVCTDD

Lpd

1==

if TDD VV >>

Big approximation today!

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

The distance between VDD and VT has been reduced.

Shouri Chatterjee, Yannis Tsividis and Peter Kinget, Analog Circuit Design Techniques at 0.5V Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Speed, a simplified model

Reduced capacitance give faster circuits: smaller transistors, i.e. new technologies a less capacitance

Clock frequency is proportional to VDD. Why not increase it? Why not decrease VT?

2L

)( TDD

DDpd VVk

VCT−⋅=

fkVCTDD

Lpd

1==

if TDD VV >>

Big approximation today!

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Power consumption in CMOS

staticcircuit-shortdynamictotal PPPP ++=

Traditionally the most important!

Gaining more importance with

technology scaling

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Dynamic Power Consumption

Charge"

V"DD"

Discharge"

2dynamic L DDP f C V=

The VDD2 does that we especially want to lower VDD

a Slower circuits

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Short Circuit - Current Spikes

Current peak when both N- and PMOS are open

VDD-VT

VT

Ipeak

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Static Power: What is the current when input

are stable to high or low? Linear Saturation

V"DD"

Page 7: Motivation for Lecture CMOS symboler CMOS transistors. MOS ... · Pinch-off p V-n + n + V DS GS >V T V DS =V GS-V T I D When VDS = VGS-VT! No new charge to the channel The current

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Static Power Consumption due to leakage current

Ileakage increases with decreasing VT Pstat =Ileakage VDD

Drain Leakage"I"leakage"

Subthreshold"Current"

V"DD"

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

VT Scaling: VT and IOFF Trade-off

As VT decreases, sub-threshold leakage increases

Performance vs Leakage:

VT a IOFF

High VT

VG VTH

ln(

I DS)

IOFFH

Low VT

VTL

IOFFL

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Trends in energy consumption

From upcoming book OptimizationDSP Architecture Design Essentials By Dejan Markovic (UCLA) and Robert W. Brodersen (UC Berkeley)

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Example from 65nm CMOS HVT SVT LVT Full Adder delay(ns) 0,26 0,15 0,11

leakage(mW) 1,30E-8 2,20E-7 1,88E-6

Nand2 delay(ns) 0,039 0,024 0,02

leakage(mW) 1,94E-9 3,30E-8 2,24E-7

HVT, SVT & LVT: High, standard and low VT Supply voltage 1V HVT around 450mV

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

So what do we do?

•  High VDD needed for high speed a High Power consumption!

One possibility: parallel processing!

•  Low VT needed for high speed a High leakage power!

Two possibilities: –  Multiple VT –  Find ways to reduce leakage, e.g. power gating

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

The end of ”some” scaling!

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Going Multicore, e.g. Intel SandyBridge!

•  32 nm – 64 bit •  4 995 000 000 Transistors •  ~3.5 GHz •  216 mm2 (10x Pentium 4)

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

Going sub-threshold: long pursued in research. Now: Intel September 2011!

Page 8: Motivation for Lecture CMOS symboler CMOS transistors. MOS ... · Pinch-off p V-n + n + V DS GS >V T V DS =V GS-V T I D When VDS = VGS-VT! No new charge to the channel The current

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

…and new technologies!

Viktor Öwall, Inst. för Elektro- och Informations Teknologi, Lunds Universitet, www.eit.lth.se!

You can learn more in ETIN20 Digital IC-design.

Next week:

Storage (registers and memories) Computational platforms

Design Methodologies