ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ - VLSI Ενότητα: Το Τρανζίστορ Κυριάκης - Μπιτζάρος Ευστάθιος Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε. 1

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 2

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΑΣΚΗΣΗ 1η: Εισαγωγή στο φυσικό σχεδιασμό Χαρακτηριστικές I-V transistor... ΑΣΚΗΣΗ 2η: Εξομοίωση n-mos και p-mos transistor... 3

ΑΣΚΗΣΗ 1η ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ XΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ I V TRANSISTOR ΘΕΩΡΙΑ 1. Εισαγωγή στο φυσικό σχεδιασμό (layout) και την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. (Παρ. 2.1, 2.2, 2.3, Ένθετο Α & Παράρτημα 1 του φυλλαδίου) 2. Αρχείο τεχνολογίας (technology file) (Παράρτημα 2, του φυλλαδίου) 3. Το MOS transistor (Παρ. 3.3.1, 3.3.2 έως τη σελίδα 133, Παρ. 3.3.4) 4. Μοντέλα transistor στο Microwind (Παράρτημα 3 του φυλλαδίου) ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ Α': ΦΥΣΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ Α. Το εργαλείο σχεδιασμού MICROWIND Ver. 2.5h. Το περιβάλλον εργασίας του εργαλείου σχεδιασμού Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI MICROWIND φαίνεται στο σχήμα 1.1 Σχήμα 1.1 Το περιβάλλον σχεδιασμού Ο.Κ. MICROWIND Στην πρώτη γραμμή υπάρχουν τα pull-down menus από όπου μπορούν να ξεκινήσουν όλες οι διαδικασίες του εργαλείου. Στη δεύτερη γραμμή υπάρχει μία σειρά από εργαλεία (toolbar) τα οποία ενεργοποιούνται με το πάτημα του αριστερού πλήκτρου του ποντικιού. Τέλος στη δεξιά πλευρά της επιφάνειας εργασίας εμφανίζεται μία παλέτα η οποία περιλαμβάνει τα επίπεδα του φυσικού σχεδιασμού για την επιλεγμένη τεχνολογία, μία σειρά από επαφές και στοιχεία 4

(devices) που παράγονται αυτόματα καθώς και τα βασικά ηλεκτρικά στοιχεία (τάση τροφοδοσίας, γείωση και γεννήτριες παλμών) που απαιτούνται για την εξομοίωση του κυκλώματος. Αν η παλέτα δεν εμφανίζεται στην οθόνη σας πρέπει να πατήσετε το πλήκτρο Show palette στη γραμμή εργαλείων. Στην τελευταία γραμμή του παραθύρου εμφανίζονται πληροφοριακά μυνήματα όπως η τεχνολογία που χρησιμοποιείται, η θέση του cursor και άλλα. Το εργαλείο Microwind χρησιμοποιεί για το φυσικό σχεδιασμό κανόνες λ και η κίνηση του cursor πάνω στην οθόνη γίνεται σε ακέραια πολλαπλάσια αυτού (snap to grid) ώστε να διευκολύνεται ο σχεδιασμός των σχημάτων με το ποντίκι. Β. Φυσικός σχεδιασμός (layout) nmos transistor με τη γεννήτρια στοιχείων (device generator). 1. Επιλέξτε την τεχνολογία CMOS 0.12 μm. Από το menu File --> Select foundry, ενεργοποιείται η φόρμα επιλογής αρχείου τεχνολογίας. Αναζητήστε στο directory που είναι εγκατεστημένο το Microwind το αρχείο κανόνων cmos012.rul και πατήστε το open. 2. Από το menu File --> Properties επιλέξτε το Set as default technology ώστε να ανοίγει πάντα το αρχείο με τη σωστή τεχνολογία. 3. Επιλέξτε από την παλέτα εργασίας το σύμβολο του τρανζίστορ (δεύτερη γραμμή συμβόλων, αριστερά). Στη φόρμα που εμφανίζεται συμπληρώστε τα στοιχεία όπως φαίνεται στο σχήμα 1.2. Σχήμα 1.2 H γεννήτρια transistor του Μicrowind 4. Πατήστε το Generate Device και κάνοντας κλικ με το αριστερό πλήκτρο του ποντικιού στην επιφάνειας εργασίας εμφανίζεται στο σημείο αυτό ένα τρανζίστορ με τις διαστάσεις καναλιού που έχουν επιλεγεί (W=0.24 μm και L=0.12 μm). Στo source και το drain του τρανζίστορ έχουν τοποθετηθεί επαφές και μέταλλα για να είναι δυνατή η σύνδεσή του με άλλα στοιχεία σε ένα κύκλωμα. Γ. Σχεδιασμός ενός pmos transistor με το χέρι (manually). 5

1. Δημιουργία της περιοχής πολυκρυσταλλικού πυριτίου (polysilicon) Επιλέξτε το επίπεδο του πολυκρυσταλλικού πυριτίου πατώντας το αντίστοιχο κουμπί πάνω στην παλέτα εργασίας. Στη συνέχεια επιλέγοντας με το mouse το εικονίδιο Draw box, από την μπάρα εργαλείων (toolbar) σχεδιάστε μία λωρίδα πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Το εύρος της λωρίδας πρέπει να είναι 2λ, το οποίο είναι το ελάχιστο επιτρεπτό εύρος του πολυκρυσταλλικού πυριτίου και το οποίο δίνει για το μήκος του καναλιού του transistor (channel length) L=2λ=0.12μm. Το μήκος της λωρίδας να είναι τουλάχιστον 16λ. Στην κάτω αριστερή γωνία της οθόνης βλέπετε το μέγεθος της λωρίδας που εισάγετε. 2. Δημιουργία της περιοχής διάχυσης (diffusion) 2.1 Από το εικονίδιο measure distance της μπάρας εργαλείων τοποθετήστε τους μετρητές απόστασης όπως φαίνονται στο σχήμα 1.3, ώστε να επιβεβαιώνετε τις διαστάσεις των σχημάτων που σχεδιάζετε. 2.2. Αλλάξτε το επίπεδο σχεδιασμού σε διάχυση τύπου p (P+ diffusion, από την παλέτα εργασίας) και σχεδιάστε μία ορθογώνια περιοχή η οποία να τέμνει το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο. Η τομή μεταξύ αυτής της περιοχής και της λωρίδας πολυκρυσταλλικού πυριτίου δημιουργεί το κανάλι ενός PMOS στοιχείου, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.3. Το μέγεθος της διάχυσης πρέπει να είναι 12λx16λ και πρέπει να τοποθετηθεί συμμετρικά ως προς τη λωρίδα του πολυκρυσταλικού πυριτίου. 7λ 7λ 16λ 16λ Σχήμα 1.3 Πολυκρυσταλλικό πυρίτιο και διάχυση με μετρητές απόστασης 3. Δημιουργία του πηγαδιού τύπου-n (n-well) Για να ολοκληρωθεί ο σχεδιασμός του pmos transistor, αλλάξτε το επίπεδο σχεδιασμού σε n-well από την παλέτα και σχεδιάστε μια ορθογώνια περιοχή γύρω από τη λωρίδα διάχυσης p-τύπου, που αποτελεί το πηγάδι μέσα στο οποίο αναπτύσσεται το pmos στοιχείο. Η περιοχή του n-well πρέπει να εκτείνεται τουλάχιστον 6λ γύρω από την περιοχή της διάχυσης, επομένως το μέγεθός της πρέπει να είναι τουλάχιστον 28λ x 24λ. 4. Τοποθέτηση επαφών (επαφή και μέταλλο) Από την παλέτα εργασίας επιλέξτε την επαφή p+diff/metal1 (πρώτη γραμμή, στη μέση) και τοποθετείστε στις γωνίες της διάχυσης τύπου p 4 επαφές όπως φαίνεται στο σχήμα 1.4. Σχήμα 1.4 Αρχική τοποθέτηση επαφών. 6

5. Διασύνδεση επαφών Ενώστε τις επαφές ανά δύο με metal1όπως φαίνεται στο σχήμα 1.5. Σχήμα 1.5 Τελική μορφή pmos transistor. 6. Έλεγχος των σχεδιαστικών λαθών Για να βεβαιωθείτε ότι δεν παραβιάζετε τους κανόνες σχεδιασμού μπορείτε σε όποια φάση της σχεδίασης θέλετε να επιλέξετε το εικονίδιο Design rule checker που βρίσκεται στην γραμμή εργαλείων του Microwind. Τότε το πρόγραμμα ελέγχει το κύκλωμα σας για τυχόν λάθη στη σχεδίαση σε σχέση με τους κανόνες σχεδιασμού που περιλαμβάνονται στο αρχείο της επιλεγμένης τεχνολογίας σχεδιασμού και σας υποδεικνύει τι λάθος έγινε και σε ποιο σημείο του κυκλώματος. Το τρανζίστορ που έχετε σχεδιάσει έχει δύο λάθη τα οποία πρέπει να διορθώσετε πριν συνεχίσετε στα επόμενα βήματα της άσκησης Δ. Τομή και 3-D απεικόνιση του transistor. 1. Επιλέξτε το αριστερό εικονίδιο Process view (πριόνι) για να δείτε μία κάθετη τομή του κυκλώματος. Η τομή αυτή ορίζεται σχεδιάζοντας μία ευθεία γραμμή πάνω στο κύκλωμα κρατώντας το αριστερό κουμπί του mouse πατημένο. Για παράδειγμα ξεκινώντας από τα αριστερά του pmos στοιχείου στο ύψος των επαφών και πηγαίνοντας προς τα δεξιά, μπορείτε να παρατηρήσετε την εγκάρσια τομή του, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.6. 7

Σχήμα 1.6. Εγκάρσια τομή του pmos transistor. 2. Επιλέξτε το δεξί εικονίδιο Process View (3-D) για να δείτε μία βήμα προς βήμα τρισδιάστατη απεικόνιση της διαδικασίας κατασκευής του τρανζίστορ που σχεδιάσατε πάνω στην επιφάνεια του δισκιδίου (wafer) του πυριτίου. Από την αριστερή πλευρά της οθόνης με το ποντίκι μπορείτε να επιλέξετε τα στάδια της διαδικασίας κατασκευής που θέλετε να εμφανιστούν. Σχήμα 1.7 3-D απεικόνιση του pmos transistor. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ Β': ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ I V. Για την εξομοίωση των κυκλωμάτων το MICROWIND χρησιμοποιεί το SPICE. Υπάρχουν πολλά διαφορετικά μοντέλα για τα MOS transistors στο SPICE. Το παλαιότερο και απλούστερο είναι το level-1, το οποίο όμως δεν παρέχει ικανοποιητική ακρίβεια για τις σύγχρονες τεχνολογίες. Το πληρέστερο μοντέλο που διαθέτει το MICROWIND είναι το BSIM4, το οποίο έχει σημαντικά μεγαλύτερο αριθμό παραμέτρων από το level-1 γεγονός που έχει επίπτωση στην ταχύτητα της εξομοίωσης του κυκλώματος, αλλά παρέχει αξιόπιστα αποτελέσματα. 1. Ανοίξτε ένα νέο αρχείο με το MICROWIND. 2. Eπιλέξτε το εικονίδιο Simulate MOS Characteristics. Στην οθόνη θα εμφανιστούν οι χαρακτηριστικές I-V όπως φαίνονται στο σχήμα 2.1. Σχήμα 2.1 Χαρακτηριστικές I V MOS transistor στο Microwind 8

Στην αριστερή πλευρά της οθόνης μπορείτε να επιλέξετε το μοντέλο του transistor που θα χρησιμοποιήσετε (level1, level3, BSIM4). Ακριβώς κάτω από τις χαρακτηριστικές τα δύο πρώτα buttons αλλάζουν την κλίμακα του κατακόρυφου άξονα, ενώ στα επόμενα πεδία μπορείτε να αλλάξετε το εύρος και το βήμα των τάσεων των χαρακτηριστικών. Από το tab MOS size στην τελευταία γραμμή της οθόνης μπορείτε να επιλέξετε διαφορετικά μεγέθη transistors ενώ στο τέλος της γραμμής επιλέγετε τον τύπο του transistor (n-mos ή p-mos). 3. Αλλάξτε την μέγιστη τιμή του Vds από 1.2 V σε 2.4 V. 4. Επιλέξτε διαδοχικά τα τρία διαθέσιμα μοντέλα του transistor και παρατηρείστε τς διαφορές στη μορφή των καμπυλών. 5. Επιλέξτε μέγεθος transistor W=0,24μm, L=0,12μm και συμπληρώστε τις 4 πρώτες στήλες του παρακάτω πίνακα για nmos transistor. nmos MODEL level3 Vgs (V) Ids (ma) Ids (ma) Vds = 1V Vds = 2V MODEL BSIM4 Ids (ma) Vds = 1V level3 vs BSIM4 Ids (ma) ΔIds (ma) Vds = 2V Vds = 1V ΔIds (ma) Vds = 2V 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 6. Επιλέξτε μέγεθος transistor αρχικά W=10 μm, L=0.12 μm και ακολούθως W=10 μm, L=10 μm και συμπληρώστε τις 4 πρώτες στήλες του παρακάτω πίνακα για nmos transistor model BSIM4. 9

nmos W=10 μm, L=0,12μm Vgs (V) Ids (ma) Ids (ma) Vds = 1V Vds = 2V W=10 μm, L=10 μm Ids (ma) Vds = 1V L=0,12μm vs L=10μm Ids (ma) ΔIds (ma) Vds = 2V Vds = 1V ΔIds (ma) Vds = 2V 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 7. Με τον ίδιο τρόπο να παράγετε τις χαρακτηριστικές για τρία διαφορετικά pmos transistors (W=0.24μm, L=0.12μm, W=10 μm, L=0.12μm, W=10 μm, L=10 μm) και να συμπληρώσετε τον παρακάτω πίνακα για το μοντέλο BSIM4. pmos W=0.24μm,L=0.12μm W=10 μm, L=0.12μm Vgs (V) Ids (ma) Ids (ma) Vds = 1V Vds = 2V Ids (ma) Vds = 1V W=10 μm, L=10 μm Ids (ma) ΔIds (ma) Vds = 2V Vds = 1V ΔIds (ma) Vds = 2V 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 ΕΡΓΑΣΙΑ ΓΙΑ ΤΟ ΣΠΙΤΙ 1. Σχεδιάστε το layout των nmos και pmos transistors που χρησιμοποιήσατε στο δεύτερο μέρος της άσκησης. 2. Συμπληρώστε τις δύο τελευταίες στήλες των πινάκων των βημάτων 5 και 6 υπολογίζοντας τη διαφορά των ρευμάτων των transistors μεταξύ των δύο μοντέλων και των transistors με διαφορετικές διαστάσεις αντίστοιχα για τον κάθε πίνακα. 3. Καταγράψτε σε κατάλληλα διαμορφωμένο πίνακα το λόγο του ρεύματος Ids του nmos ως προς το ρεύμα του αντίστοιχου pmos transistor για όλες τις περιπτώσεις που μετρήσατε στο εργαστήριο με Vds = 1V. 4. Σχεδιάστε τη γραφική παράσταση του παραπάνω λόγου των ρευμάτων ως προς την τάση Vgs 10

ΑΣΚΗΣΗ 2η N-MOS ΚΑΙ P-MOS TRANSISTOR ΩΣ ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ ΘΕΩΡΙΑ 1. Εργαλεία εξομοίωσης, SPICE, αρχεία περιγραφής κυκλωμάτων (netlist) (Παρ. 3.4, σελ 152-155) 2. To transistor ως διακόπτης, πύλη διέλευσης. (Παρ 3.3.2 σελ. 137-143, Παρ. 6.2.1 σελ. 290-291 (εικ. 6.3), Παρ. 6.2.3 σελ. 337-338) ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ Α. Μεταβατική απόκριση του transistor ως διακόπτη. Για να εξομοιωθεί η χρονική απόκριση ενός κυκλώματος γίνεται χρήση του ενσωματωμένου εξομοιωτή (built-in simulator), ο οποίος όπως ειπώθηκε στην προηγούμενη άσκηση είναι βασισμένος στο SPICE. Επιλέγοντας το menu simulate από τη γραμμή των pull-down menus του MICROWIND μπορείτε να καθορίσετε τις παραμέτρους της εξομοίωσης. ΠΡΟΣΟΧΗ: Για να παίρνετε αξιόπιστα αποτελέσματα πρέπει να επιλέγετε πάντα εξομοίωση με χρήση του μοντέλου BSIM4 για τα τρανζίστορ. Από το menu Simulate --> Simulation parameters --> MOS Model απιλέξτε Advanced BSIM4. Για να εξομοιώσετε το κύκλωμά σας επιλέξτε το Run Simulation από τη μπάρα εργαλείων του Microwind. Για να γίνει εξομοίωση στο πεδίο του χρόνου και να εμφανιστούν οι σχετικές κυματομορφές πρέπει να δώσετε ονόματα στους κόμβους του κυκλώματος και να ορίσετε τις τροφοδοσίες (Vdd και Vss). Τα εργαλεία για την εκτέλεση των διαδικασιών αυτών βρίσκονται στην τρίτη γραμμή εργαλείων της παλέτας εργασίας. Αρχικά επιλέγετε την ιδιότητα που θέλετε να δώσετε σε έναν κόμβο και ακολούθως πρέπει να επιλέξετε με το αριστερό πλήκτρο του mouse τον κόμβο στον οποίο θέλετε να βάλετε τη συγκεκριμένη ιδιότητα. ΠΡΟΣΟΧΗ για να αποφεύγονται λάθη στην εξομοίωση όταν ορίζετε έναν κόμβο καλό είναι επιλέγετε ένα σημείο στο οποίο δεν υπάρχουν πολλαπλά επίπεδα του φυσικού σχεδιασμού. - Για την τάση τροφοδοσίας επιλέγετε το Vdd supply - Για τη γείωση επιλέγετε το Ground - Για να δώσετε όνομα σε έναν κόμβο ο οποίος θέλετε να εμφανίζεται στα αποτελέσματα της εξομοίωσης το Visible node - Για να δώσετε παλμούς εισόδου σε έναν κόμβο επιλέγετε, το Add a clock από την παλέτα και εμφανίζεται το παράθυρο του σχήματος 2.1 που σας παρέχει τη δυνατότητα να ορίσετε το όνομα του κόμβου και να επιλέξετε τους χρόνους ανόδου και καθόδου και το εύρος των παλμών. Το αν η κυματομορφή αυτή θα εμφανίζεται στην εξομοίωση καθορίζεται από το Visible in Simulation κάτω δεξιά. Με τα κουμπιά Slower και Faster διπλασιάζετε ή υποδιπλασιάζετε την περίοδο του σήματος χρονισμού ενώ το ~ Last Clock αντιστρέφει το σήμα χρονισμού διατηρώντας σταθερή την περίοδο. ΠΡΟΣΟΧΗ το Add a pulse χρησιμοποιείται όταν πρέπει να τοποθετηθεί ένας μόνο παλμός ενώ το Add a Clock για περιοδική παλμοσειρά. Σχήμα 2.1 Το παράθυρο ορισμού σήματος χρονισμού (Add a Clock) 11

1. Σχεδιάστε ένα n-mos transistor με διαστάσεις W=0.24μm και L=0.12μm χρήση της γεννήτριας στοιχείων. 2. Δώστε τους παρακάτω παλμούς στους ακροδέκτες του transistor. 2.1. Στο drain το όνομα inp και ένα παλμό με διάρκεια low και high 475 psec και χρόνο ανόδου και καθόδου 25psec. Η περίοδος του παλμού είναι (475+25+475+25) psec = 1 nsec. 2.2 Στο gate το όνομα enable και παλμό με διάρκεια low και high 3.975 nsec και χρόνο ανόδου και καθόδου 25psec (περίοδος 8 nsec), 2.3. Στο source το όνομα out και visible in simulation. Στο σχήμα 2.2 φαίνεται το κύκλωμα με τα ονόματα των σημάτων. Με bold εμφανίζονται οι κόμβοι οι οποίοι οδηγούνται από παλμούς και με Italics οι κόμβοι οι οποίοι εμφανίζονται στις κυματομορφές στο παράθυρο της εξομοίωσης. Σχήμα 2.2. NMOS transistor με ονόματα κόμβων και παλμούς εισόδου. 3. Επιβεβαιώστε ότι χρησιμοποιείτε το μοντέλο BSIM4 και εκτελέστε την εξομοίωση από το Run Simulation της γραμμής εργαλείων. Στην οθόνη σας θα εμφανιστεί το παράθυρο των αποτελεσμάτων της εξομοίωσης όπως φαίνεται στο σχήμα 2.3. Στη δεξιά πλευρά του παραθύρου υπάρχουν επιλογές για τη διαχείριση των αποτελεσμάτων. Πάνω δίνεται η δυνατότητα επιλογής των κόμβων μεταξύ των οποίων υπολογίζεται το delay που σημειώνεται πάνω στις κυματομορφές, Ακολούθως μπορεί να καθοριστεί το χρονικό παράθυρο για το οποίο δίνονται τα αποτελέσματα στην οθόνη και το βήμα που χρησιμοποιεί ο εξομοιωτής. Για να ενεργοποιηθεί οποιαδήποτε αλλαγή κάνετε πρέπει να πατήσετε το πλήκτρο RESET ή More. Επίσης δίνεται η δυνατότητα να σταματήσετε μία εξομοίωση η οποία απαιτεί μεγάλο χρόνο αν για παράδειγμα βάλετε πολύ μικρό βήμα στον εξομοιωτή. Σχήμα 2.3 Απόκριση nmos transistor σε τετραγωνικούς παλμούς χωρίς φορτίο εξόδου. 12

4. Γιατί η έξοδος δεν παίρνει μέγιστη τιμή την τιμή της τάσης τροφοδοσίας (1,2V); 5. Τοποθετήστε έναν πυκνωτή 50 ff στην έξοδο χρησιμοποιώντας την επιλογή Add virtual capacitance από την παλέτα. Ο πυκνωτής έχει πάντα τον έναν ακροδέκτη του συνδεδεμένο στη γείωση (Ground). 6. Εκτελέστε την εξομοίωση του κυκλώματος χωρίς να αλλάξετε τους παλμούς εισόδου. Τα αποτελέσματα φαίνονται στο σχήμα 2.4. 7. Συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα για διαφορετικές τιμές του φορτίου εξόδου. nmos W=0.24 μm και L=0.12 μm Φορτίο Καθυστέρηση Καθυστέρηση Vout max Vout min εξόδου ανόδου καθόδου (V) (V) (ff) (psec) (psec) 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 Σχήμα 2.4. Απόκριση nmos transistor σε τετραγωνικούς παλμούς με φορτίο εξόδου 50fF. 13

8. Για να γίνουν και πάλι τετραγωνικοί οι παλμοί στην έξοδο πρέπει να αυξήσετε το W του transistor περίπου πέντε φορές σε σχέση με το αρχικό (W=0,24 x 6 = 1,44 μm ή 24λ). Σχεδιάστε ένα transistor με τις νέες διαστάσεις τροποποιώντας το κύκλωμά σας με χρήση της εντολής move/strech, όπως φαίνεται στο επόμενο σχήμα. Παρατηρείστε ότι για να μειωθεί η αντίσταση των επαφών στο source και το drain χρησιμοποιήθηκαν πολλές επαφές ndiff/metal1. Σχήμα 2.5. NMOS transistor με W=24λ. 8. Ελέγξτε την ορθότητα του layout με τον Design Rule Checker και διορθώστε τα σφάλματα, αν υπάρχουν. 14

9. Εξομοιώστε το κύκλωμα βάζοντας φορτίο εξόδου 50 ff ώστε να προκύψουν τα αποτελέσματα του σχήματος 2.6. Σχήμα 2.6. Απόκριση nmos transistor με W=24λ και φορτίο εξόδου 50fF. 10. Συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα για διαφορετικές τιμές του φορτίου εξόδου. nmos W=1.44 μm και L=0.12 μm Φορτίο Καθυστέρηση Καθυστέρηση Vout max Vout min εξόδου ανόδου καθόδου (V) (V) (ff) (psec) (psec) 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 11. Επαναλάβατε τα παραπάνω βήματα 1 10 για ένα p-mos τρανζίστορ με αρχικές διαστάσεις W=0.72 μm και L=0.12 μm και συμπληρώστε τους παρακάτω πίνακες. ΠΡΟΣΟΧΗ: Για να γίνει σωστή εξομοίωση το πηγάδι τύπου n πρέπει να πολωθεί στην τάση τροφοδοσίας Vdd 15

Φορτίο εξόδου (ff) pmos W=0.72 μm και L=0.12 μm Καθυστέρηση Καθυστέρηση Vout max Vout min ανόδου καθόδου (V) (V) (psec) (psec) 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 Φορτίο εξόδου (ff) pmos W=4.32 μm και L=0.12 μm Καθυστέρηση Καθυστέρηση Vout max Vout min ανόδου καθόδου (V) (V) (psec) (psec) 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 12. Τι παρατηρείτε στον παλμό εξόδου; Συγκρίνετέ τον με αυτόν του n-mos τρανζίστορ. ΕΡΓΑΣΙΑ ΓΙΑ ΤΟ ΣΠΙΤΙ 1. Σχεδιάστε και εξομοιώστε κύκλωμα το οποίο λειτουργεί ως διακόπτης και εμφανίζει στην έξοδό του τους παλμούς εισόδου χωρίς αλλοίωση του πλάτους και για τις δύο λογικές στάθμες Το κύκλωμα αυτό ονομάζεται πύλη διέλευσης (transmission gate). Αρχικά χρησιμοποιήστε μοναδιαίο nmos και pmos με τριπλάσιο πλάτος καναλιού. 2. Συμπληρώστε πίνακα ίδιο με αυτόν του εργαστηριακού μέρους της άσκησης για διαφορετικά φορτία εξόδου από 0 έως 100 ff. 3. Τροποποιήστε το κύκλωμά σας ώστε με φορτίο εξόδου 80 ff να παρουσιάζει καθυστέρηση μικρότερη από ή ίση με 15 psec και η διαφορά της καθυστέρησης μεταξύ ανοδικής και καθοδικής παρυφής να είναι το πολύ 10%. 4. Συμπληρώστε πίνακα ίδιο με αυτόν του εργαστηριακού μέρους της άσκησης για διαφορετικά φορτία εξόδου από 0 έως 100 ff. 16