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1.2V에서 고속 동작하는 0.1um nMOSFET 설계

물리전자공학2(EEE3121-02) Design Project1. TitleDesigning good performance nMOSFETs2. ObjectivesDesign a 0.1-μm-long nMOSFET such that we could get good performance for 1.2V operation.3. Results and Discussion1)Introduction우리 조는 MOSFET의 performance는 동작 속도로 결정된다고 보았다. 따라서 고속 동작이 가능한 MOSFET을 설계하기 위해서는 operation delay를 최소화해야 하며, 이는 RC constanttau 가 작을수록 작아진다.tau =RC= {V} over {I} C이므로, 고속 동작을 위해서는 작은 커패시턴스, 큰 ON current를 필요로 한다.또한 최근의 mobile device등에서 활용 되는 MOSFET은 전력 소모 역시 중요하게 고려해야 한다. 따라서 이 역시 설계에서 중요하게 고려해야할 사항으로서 MOSFET의 OFF current(Sub-Threshold Leakage Current)를 최소화하여야 한다.이번 설계에서는 주어진 gate length인 0.1um를 제외한 나머지 parameter를 변경해가면서, ON current를 최대화, OFF current를 최소화할 수 있는 설계 조건을 찾는 것을 목표로 진행하도록 한다.2)Physical Analysis①ON currentMOSFET의 ON current는 다음과 같은 식으로 결정된다.I _{DS} = mu _{eff} C _{ox} {W} over {2L} (V _{G} -V _{T} ) ^{2}설계 조건에서L=0.1 mu m로 고정되었고,V _{G} =1.2V에서 고속 동작이 이루어져야 하므로, 이 식에서 변화시킬 수 있는 parameter는C _{ox}와 W,V _{T}이다. 이때 W를 증가시킬 경우 MOSFET의 집적도, 즉 cost 측면에서 악영향을 미치게 된다. 따라서 이번 설계에} (2 phi _{F} +V _{SB} )}} over {C _{ox}}따라서 MOSFET의 oxide thickness를 줄여서C _{ox}를 증가시키고, substrate doping concentrationN _{A}을 줄여서V _{T}를 감소시켜야 한다.②OFF currentMOSFET의 OFF current는 S parameter에 비례한다. S parameter는 다음과 같은 식으로 표현된다.S= LEFT ( {d(logI _{D} )} over {dV _{G}} RIGHT ) ^{-1} SIMEQ 2.3(1+ {C _{dm}} over {C _{ox}} ) {kT} over {q}즉, lower OFF current를 위해서는 S parameter를 감소시켜야하므로,C _{ox}를 증가시키고C _{dm}을 감소시켜야 한다. 이때,C _{dm} = {epsilon _{si}} over {W _{dm}} = sqrt {{epsilon _{si} qN _{A}} over {4 phi _{F}}}이므로,C _{dm}을 감소시키려면N _{A}를 줄여야한다.NANOCAD에서는 현재는 고정된 parameter인 gate length(L _{gate})를 포함하여 oxide thickness(t _{ox}), substrate doping concentration(N _{A}), n+ doping concentration(N _{D}), junction depth(X _{j}), body thickness(T _{si}), drain-source length(L _{sd}), connector length(L _{con}), 수직 방향 및 수평 방향 접합 길이 비율(X _{rat}) 등의 총 9개의 parameter를 조절할 수 있다. 우리 조는 nanocad의 input 파일인 mymos90n.in, idvd.in, idvg.in 등을 통해 parameter를 변화시켜 threshold voltage 이상의 gate voltage에서 가장 많은I _{D}가 ANOCAD 시뮬레이션을 통해 각 parameter에 따른I _{D} -V _{G} curve의 변화를 확인했다.I _{D} -V _{G} curve의 saturation region current가 클수록 MOSFET의 ON current가 클 것이며,log(I _{D} )-V _{G} curve를 통해 S parameter, 즉 OFF current의 변화 양상을 알 수 있다.시뮬레이션에서 사용한 drain voltageV _{D}는 처음에는 1.8V로 고정했다. 그러다 0.05V로 고정하였는데, 그 이유는 시뮬레이션 시 자꾸 분모를 0으로 나누는 등의 프로그램 오류가 나서 시뮬레이션이 불가능한 경우가 많았기 때문이다(시뮬레이션 오류가 많이 나서 시뮬레이션에 많은 시간을 할애하게 되었다).V _{G}는 0~1.2V까지 0.2V의 간격으로 변화시켰다.①oxide thickness(t _{ox})우리 조가 첫 번째로 결정하기로 한 parameter는t _{ox}였다.t _{ox}의 값을 변경시켜가며 그려진I _{D} -V _{G} curve는 다음과 같다.[그림 1.t _{ox} 변화에 따른I _{D} -V _{G}](단, Lsd=40n, Lgate=100n, Lcon=20n, Tsi=100n, Nd=5.0e19/cm3, Na=1.0e18/cm3, Xj=25n, XRat=0.6)I _{D} -V _{G} curve를 plot한 결과t _{ox}가 작을수록V _{T}가 작아지고 saturation region에서의 ON current가 커졌다.이번에는 OFF current 변화를 알아보기 위해logI _{D} -V _{G} curve를 plot해보았다.[그림 2.t _{ox} 변화에 따른log(I _{D} )-V _{G}]plot 결과,t _{ox}가 작을수록 sub-threshold slope가 증가해서 S parameter가 작아지는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 그 차이가 ON current의 변화에 비해 크지는 않았다. 결국, 이번 설계에서는t _{ox첫 번째 parameter인t _{ox}는 2nm로 결정하였다.②substrate doping concentration(N _{A})다음으로 우리 조가 결정하기로 한 parameter는 substrate doping concentrationN _{A}였다.N _{A}의 변화에 따른I _{D} -V _{G} curve는 다음과 같다.[그림 3.N _{A} 변화에 따른I _{D} -V _{G}](단, Lsd=40n, Lgate=100n, Tox=2n, Lcon=20n, Tsi=100n, Nd=5.0e19/cm3, Xj=25n, XRat=0.6)시뮬레이션 결과, 이론에서 예상한 것과 같이N _{A}가 작을수록 ON current가 증가하고V _{T}가 감소하는 것을 확인할 수 있었다.[그림 4.N _{A} 변화에 따른log(I _{D} )-V _{G}]위 curve는 S parameter를 확인하기 위한 semi-log plot이다. 위 plot을 통해N _{A}가 작아질수록 sub-threshold slope가 증가, 즉 S parameter의 값이 작아지는 것 역시 확인할 수 있다. 결론적으로, 이론에서 예측한대로N _{A}가 작을수록 좋은 performance를 보이는 것을 확인할 수 있다.N _{A}의 값은 5.0e18/cm3로 결정하였다.N _{A}가 너무 작게 설정이 되면V _{T}가 작아져양의 값이 아닌 음의 값을 갖게 되었고, 또한 스위칭을 위한 범용 nMOSFET은 0.5V 정도의 threshold voltage를 가지므로 이를 만족하면서 아래와 같이N _{A}를 가장 작게 하면서V _{T} =0.5V를 만족하는 5.0e18/cm3으로 결정하였다.[그림 5.N _{A} =5.00E+18`cm ^{-3}I _{D} -V _{G}]③n+ doping concentration(N _{D})다음으로는N _{D} 변화에 따른I _{D} -V _{G} curve를 plot해보았다.[그림 6.N _{D} 변화에 따른I _{D} -V _{G} curve](단, LgI _{D} -V _{G} curve를 그려보았다.[그림 7.N _{D} 변화에 따른log(I _{D} )-V _{G}]시뮬레이션 결과N _{D}는 극단적으로 높은 도핑 농도가 아닐 때는 S parameter에 영향을 미치지 않는 것을 확인할 수 있었다. 결론적으로N _{D}가 클수록 더 좋은 performance를 보일 것이라고 판단하였다.[그림 8. Si dopants의 도핑 농도에 따른 녹는점]위 그림은 온도에 따른 dopant 별 최대 도핑 가능 농도를 나타낸 것이다. 이 그림을 해석해보면, Si의 Donor Dopant로서 가장 큰N _{D}를 가지기 위해서는 As를 1100K에서 공정을 진행하면 되며, 이때의N _{D} =2.00E+21`cm ^{-3}의 값을 갖는다. 따라서N _{D} =2.0E+21`cm ^{-3}로 결정하였다.④junction depth(X _{j})junction depth는 source 및 drain에서 doping된 region의 수직 길이를 의미한다.[그림 9. MOSFET의 수직구조]이론적으로 junction depth가 크면 source-drain 사이의 저항이 작아져 ON current가 증가할 것이다. NANOCAD를 이용한I _{D} -V _{G} curve 시뮬레이션 결과는 다음과 같다.[그림 10.X _{j}에 따른I _{D} -V _{G}](단, Lgate=100n, Tox=2n, Lsd=40n, Nd=2.0e21/cm3, Na=5.0e18/cm3, Lcon=20n, Tsi=100n, XRat=0.6)그림 10에 의하면V _{T} =0.5V를 만족하는 그래프는 50nm 이하의 그래프이다. 그러므로X _{j}는 50nm 이하의 값을 가져야 할 것이다.다음으로는 S parameter를 확인하기 위해logI _{D} -V _{G} 그래프를 그려보았다.[그림 11.X _{j}에 따른logI _{D} -V _{G}]그림 11에 의하면 S parameter는X _{j}가 증가할수록 증가하고 있지만, ON curren{T}

공학/기술| 2014.06.24| 8페이지| 1,500원| 조회(59)

MOSFET, 물리전자공학, nMOSFET, Performance, 0.1um, 1.2V

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Matlab simulink를 이용한 송수신기 필터 설계(LPF, BPF)

1. 제목: 송수신기 필터 설계 2. 설계 목적 여러 신호를 전파 형태로 공중에 보낼 때에 주파수 대역을 분할하여 사용하는데 각 신호 성분을 구별할 수 있게 하려면 필터가 필요하다. 또한 공중에 날아다니는 전파 신호들에는 잡음 성분이 많이 포함되어 있는데 이를 수신할 때 잡음 성분을 적절히 걸러줘야 수신기가 제대로 동작할 수 있다. 송신기 2대에서 나오는 전파와 잡음에 의한 전파가 섞여서 수신기의 입력으로 들어온다. 이 신호에서 원하는 신호를 뽑아내기 위해 LPF와 BPF를 각각 1가지씩 설계한다. 이 때 입 력은 1kHz의 주파수를 갖는 Square wave와 Sawtooth wave 두 가지를 사용하며 각각 1MHz, 1.05MHz의 sine wave를 mixer로 사용하여 송신한다. 송신 과정에서 발생하는 잡음 은 평균 0, 분산 2V의 Gaussian noise라 가정하며, 수신단에서 mixer 주파수를 설정함으로 서 원하는 신호를 받아낼 수 있도록 한다. 이 같은 조건을 만족하는 필터를 설계하기 위해 선형 수동 소자를 이용하도록 하고, 직접 설계해봄으로써 전달함수의 개념을 명확히 이해한다. <중 략>파형이 90% 되는 시간이 약 0.13ms로 전체 주기에 대해 약 13%를 차지하고 있었다. 구형파의 경우 입력이 rising time과 falling time이 없는 파형이므로 filter를 거쳤을 때 삼각파보다 rising time이 약 0.22ms로 더 긴 것을 확인할 수 있었으며 이는 전체 주기의 약 22% 인 것을 확인할 수 있었다. 전체적으로 봤을 때 이는 설계조건이 요구하는 5%보다 큰 것을 확인할 수 있었는데 이는 filter를 오직 RLC 소자를 이용하여 설계해야하는 제한조건이 걸려있기 때문에 생기는 오차로 분석할 수 있다. 이를 해결하기 위해서는 low pass filter의 성능이 더 좋은 회로를 만들어야 하므로 OP-AMP를 이용한 low pass filter를 이용하는 것이 하나의 방법이 될 수 있다.

공학/기술| 2014.06.24| 12페이지| 1,500원| 조회(347)

회로이론, 필터, LPF, BPF, Simulink, 송수신기, 송수신기 필터

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