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Metodologie di Polarizzazione del Substrato di Dispositivi CMOS per la Riduzione del Ritardo e della Potenza Dissipata

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Anteprima della tesi: Metodologie di Polarizzazione del Substrato di Dispositivi CMOS per la Riduzione del Ritardo e della Potenza Dissipata, Pagina 1
Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica   A.A. 2005/2006 
Tesi di Laurea Specialistica (sintesi) 1
  
Abstract – Il controllo attivo della tensione di soglia dei 
dispositivi CMOS rappresenta un metodo valido per 
ridurre il leakage di sottosoglia e per migliorare le 
performance dei circuiti digitali. Misure dell’efficacia del 
Variable Body Bias (VBB) sono state effettuate su NMOS 
e PMOS con lunghezze di canale da 1μm e 0.12μm, anche 
a temperature diverse da quella ambiente. Da simulazioni 
in HSPICE di circuiti digitali di diversa complessità e con 
tecnologie attuali è stato possibile quantificare la riduzione 
della potenza statica dissipata con il Reverse Body Bias 
(RBB) e la riduzione dei ritardi con il Forward Body Bias 
(FBB). 
 
Keywords – Forward Body Bias, Reverse Body Bias, Variable 
Body Bias, Body Effect, Leakages delle Giunzioni, Leakage 
Sottosoglia, . 
I. INTRODUZIONE 
Negli ultimi quaranta anni il continuo scaling delle 
dimensioni dei dispositivi CMOS è stato accompagnato dallo 
scaling della tensione di alimentazione dei circuiti (V
DD
). Di 
conseguenza, per non degradare le performance dei circuiti, la 
tensione di soglia dei dispositivi (V
T
) è stata 
contemporaneamente ridotta. All’avanzare della tecnologia 
nel regime submicrometrico la potenza dissipata a causa dei 
leakage dei transistor (in particolare il leakage sottosoglia che 
dipende esponenzialmente da V
T
) è aumentata molto più 
rapidamente della potenza dinamica. L’aumento della potenza 
dissipata aumenta la temperatura dei circuiti (peggiorandone il 
funzionamento e l’affidabilità) e riduce il tempo di vita delle 
batterie nelle apparecchiature portatili.  
Mediante la polarizzazione variabile del substrato dei 
MOSFET è possibile ottenere un controllo del leakage 
sottosoglia. Modulando il valore di V
T
 per effetto body, è 
possibile evitare un’elevata dissipazione di potenza statica e 
ottimizzare le performance dei circuiti. La polarizzazione 
inversa del substrato (Reverse Body Bias – RBB) permette di 
incrementare V
T
, mentre la polarizzazione diretta (Forward 
Body Bias – FBB) riduce V
T
. Il Variable Body Bias (VBB) 
 
 
può essere utilizzato nei circuiti secondo un tecnica statica e/o 
dinamica. Nel primo caso si suddivide il circuito in path critici 
e non e, per i dispositivi dei primi, si sceglie una bassa V
T
 
(FBB) per ridurre i ritardi e, per i dispositivi rimanenti, si 
sceglie un’alta V
T
 (RBB) per ridurre i leakage. Nella tecnica 
dinamica ogni blocco funzionale del circuito può trovarsi in 
uno stato active o standby, a seconda di un controllo esterno. 
Se il blocco è nello stato active è conveniente imporre per i 
dispositivi che lo costituiscono una bassa V
T
 per ridurre i 
ritardi (FBB). Se invece si trova nello stato standby, le sue 
uscite non commutano, di conseguenza è conveniente mettere 
l’intero blocco in condizioni di bassa dissipazione di potenza 
(RBB). 
Il VBB su NMOS e PMOS non può essere utilizzato su 
tecnologie single–well ma su tecnologie che isolano le well 
dei singoli dispositivi come la tecnologia triple–well o quella 
BT–SOI (Body Tied – Silicon On Insulator). 
Con il FBB è stata osservata una riduzione dei campi 
elettrici e delle zone svuotate all’interno delle strutture 
MOSFET, quindi, un ulteriore vantaggio del FBB è che 
consente di continuare lo scaling dei dispositivi perché riduce 
gli effetti di canale corto (V
T
–roll off e DIBL) e migliora l’hot 
carrier reliability. 
II. MISURE SU DISPOSITIVI 
Le misure effettuate sui dispositivi di test riguardano 
l’analisi del comportamento dei transistors NMOS e PMOS al 
variare della polarizzazione del substrato (V
B
) da -1V a 0.6V. 
Le misure sono state effettuate su dispositivi realizzati su 
wafer secondo il processo MINOXG della Philips Electronics 
in collaborazione con IMEC. È stato misurato lo shift di V
T
 
ottenuto per effetto body. Si è osservato che i dispositivi 
0.12μm presentano un coefficiente di effetto body, γ (e quindi 
uno shift di V
T
), ed una tensione di soglia a riposo (@ 
V
B
=0V) maggiore. Non è stato osservato il V
T
 roll off al 
diminuire della lunghezza di canale ma il V
T
 roll up, ciò può 
essere dovuto a Reverse Short Channel Effects causati da 
processi come l’halo implant. All’aumentare della temperatura 
le curva V
T
–V
B
 ottenuta a 27°C trasla rigidamente in basso 
perché V
T
 si riduce e perché l’effetto del VBB non cambia 
all’aumentare della temperatura (fig. 1). 
Università degli Studi della Calabria, Facoltà di Ingegneria  
Laboratorio di Microelettronica e Microsistemi – D.E.I.S. 
Metodologie di Polarizzazione del Substrato di 
Dispositivi CMOS per la Riduzione del Ritardo e della 
Potenza Dissipata 
Relatori: Prof. Felice Crupi, Prof. Calogero Pace, Ing. Marco Lanuzza 
Candidato: Luca Magnelli (Matricola: 94848)                                                       
Anno Accademico 2005/2006 

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Metodologie di Polarizzazione del Substrato di Dispositivi CMOS per la Riduzione del Ritardo e della Potenza Dissipata

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Informazioni tesi

  Autore: Luca Magnelli
  Tipo: Laurea liv.II (specialistica)
  Anno: 2005-06
  Università: Università degli Studi della Calabria
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria elettronica
  Relatore: Felice Crupi
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 215

FAQ

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