New Mosfet Threshold Voltage Extraction Methods And Extractors

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2006Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2006MOSFET modellenmesinde çok önemli bir yer taşıyan eşik gerilimi, yapılan bir çok deneme sonucu matematiksel olarak hesaplanabilirken aynı zamanda çıkışında direk VTH’i veren basit devre yapıları ile de elde edilebilir. Bu çalışmada, kuvvetli-evirtim, lineer bölge, karakteristiklerine dayalı yeni eşik gerilimi elde etme yöntemleri önerilmiştir ve bu yöntemlere dayanarak çıkışlarında NMOS ve PMOS transistörler için eşik gerilimi veren devre yapılarının tasarımı anlatılmıştır. Önerlen yöntem temelde, analog bir yapı ile gerçeklenen aritmetik işlemin sonucuna dayandırılmıştır. Aritmetik işlem basit ve genelleştirilmiş olmak üzere iki yoldan incelenmiş ve bu yollardan her biri için üç farklı metod (IDPC,ICPD ve Esnek) önerilmiştir. Tasarlanan devrelerdeki mobilite etkisi, kanal boyu modülasyonu, boyut uyuşmazlığı ve gövde etkisi gibi ikinci dereceden etkiler analiz edilmiştir. Önerien devrelerde OPAMP, transistörleri linear bölgede kutuplamak, DDA ise çıkışında VTH’ı verecek olan aritmetik işlemi gerçeklemek için kullanılan yardımcı elemanlardır. Cadence-SpectreS ile yapılan ölçümler MOS transistörlerin eşik geriliminin tasarlanan yeni devreler ile % 1 veya % 0.8 hata ile elde edilebildiğini göstermiştir. NMOS eşik geriliminin sıcaklıkla negatif, PMOS eşik geriliminin sıcaklıkla pozitif olarak değişmesinden yararlanarak, sıcaklık katsayıları sırasıyla 1.9ْ9mV/Centigrade ve -1.42mV/Centigrade olan PTAT ve CTAT sıcaklık sensörler tasarlanmıştır. Yine aynı özellik yardımıyla OPAMP toplayıcı kullanılarak sıcaklık ve besleme gerilimi değişimlerinden bağımsız bir gerilim referans devresi elde edilmiştir.The threshold voltage value, which is the most important electrical parameter in modeling MOSFETs, can be extracted either from simulations or from the use of practical circuits which automatically and quickly yield the threshold voltage. In this thesis, new threshold voltage extraction methods based on the strong-inversion characteristic are proposed and the development of the NMOS and PMOS threshold voltage extractors implementing new methods is described. Proposed extraction method is based on an arithmetic operation which is classified into basic and generalized arithmetic operation schemes. Different implementations for each operation scheme such as IDPC, ICPD and Flexible method have been discussed and the effect of nonidealities such as mobility reduction, channel-length modulation, mismatch, and body effect has been analyzed. Auxiliary components are needed to perform design conditions. DDA operates as an arithmetic processor to precisely implement multiplication by two and subtraction as needed for extrapolation. OPAMP is also used to bias transistors in the linear region. The Cadence-SpectreS simulations confirm that threshold voltage of a MOS transistor can be extracted automatically using the VTH extractor without any need of calculation and delay. Additional applications such as temperature measurement, where the VTH extractor can be used either as a PTAT sensor or as a CTAT with small values of temperature coefficients (1.99mV/Centigrade and-1.42mV/Cent., respectively), and voltage reference circuit which is independent of temperature and supply voltage fluctuations, are presented.Yüksek LisansM.Sc

Reference voltage and temperature sensing signal generation using MOS transistors in strong inversion

Orientador: Carlos Alberto dos Reis FilhoDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de ComputaçãoResumo: Fontes de referência de tensão e sensores de temperatura são blocos extensivamente utilizados em sistemas microeletrônicos. Como alternativa à aplicação de estruturas consolidadas, mas protegidas por acordos de propriedade intelectual, é permanente a demanda pelo desenvolvimento de novas técnicas e estruturas originais destes circuitos. Também se destaca o crescente interesse por soluções de baixa tensão, baixo consumo e compatíveis com processos convencionais de fabricação. Este trabalho descreve o desenvolvimento de um circuito que atende a estas exigências, fornecendo uma tensão de referência e um sinal de sensoriamento térmico, obtidos a partir de um arranjo adequado de transistores MOS, que operam em regime de forte inversão. O princípio de operação do circuito desenvolvido foi inspirado no conceito de que é possível empilhar n transistores MOS, polarizados com corrente adequada, de tal forma que a queda de tensão sobre a pilha de transistores, com amplitude nVGS, apresente a mesma taxa de variação térmica que a tensão VGS produzida por um único transistor. Nesta condição, a diferença entre as duas tensões é constante em temperatura, constituindo-se em uma referência de tensão. No entanto, o empilhamento de dois ou mais transistores impossibilita a operação do circuito sob baixa tensão. Isto motivou a adaptação da técnica, obtendo a tensão nVGS com o auxílio de um arranjo de resistores, sem o empilhamento de transistores. Desta forma, o potencial limitante da tensão mínima de alimentação tornou-se a própria tensão de referência, cuja amplitude é próxima de um único VGS. A estrutura desenvolvida fornece também um sinal de tensão com dependência aproximadamente linear com a temperatura absoluta, que pode ser aplicado para sensoriamento térmico. Foram fabricados protótipos correspondentes a diversas versões de dimensionamento do circuito para comprovação experimental de seu princípio de operação. O melhor desempenho verificado corresponde à geração de uma tensão de referência com coeficiente térmico de 8,7ppm/ºC, no intervalo de -40ºC a 120ºC, operando com tensão de 1V. Embora o estado da arte seja representado por índices tão baixos quanto 1ppm/ºC, para a mesma faixa de temperatura, a característica compacta do circuito e seu potencial de aplicação sob as condições de baixa tensão e baixo consumo lhe conferem valor como contribuição para este campo de pesquisa e desenvolvimento.Abstract: Voltage references and temperature sensors are blocks extensively used in microelectronic systems. As an alternative to the use of consolidated structures that are protected by intellectual property agreements, there is a permanent demand for the development of new techniques and structures for these circuits. It can be also highlighted the growing interest for low-voltage and low-power solutions, implemented in conventional IC technologies. This work describes the development of a circuit that meets these requirements by providing a voltage reference and temperature sensing signal obtained from a suitable arrangement of MOS transistors biased in strong inversion. The operation principle of the circuit developed is based on the concept that it is possible for a stack of n MOS transistors, biased by an appropriate current, to show a voltage drop, equal to nVGS, with the same thermal variation rate as a VGS voltage produced by a single transistor. Hence, the difference between the two voltage signals is temperature independent, characterizing a voltage reference. However, the stacking of two or more transistors prevents the operation of the circuit under low voltage. This fact motivated to adapt the technique by obtaining the voltage nVGS with the aid of an array of resistors and no stacked transistors. The minimum supply voltage becomes limited only by the reference voltage itself, whose amplitude is close to a single VGS. The circuit developed also provides a voltage signal almost linearly dependent with the absolute temperature, which can be applied for thermal sensing. Prototypes corresponding to various dimensional versions of the circuit were produced to experimentally verify the principle of operation. The best performance corresponds to the generation of a voltage reference signal with 8.7ppm/ºC thermal coefficient, from -40ºC to 120ºC, under a 1V supply voltage. Although the state of the art is represented by values as low as 1ppm/ºC, at the same temperature range, the circuit's compact aspect together with the possibility to attend low-voltage and low-power requirements grants it value as contribution to this field of research and developmentMestradoEletrônica, Microeletrônica e OptoeletrônicaMestre em Engenharia Elétric