Paulisan  ini  adalah  suatu  analisa  terhadap  divais  Graded-Channel  Metal-Oxide- Semiconductor Fietd-Effea-Transistor  atau  disingkat  GCMOSFET- Telanlogi  GCMOSFET

ini bertrembang  sebagai  salah satu usaha  untukmenenuhi  kebutuhan divais  dalam  aplikas

Siswono, Hartono

Gunadarma University Repository

Analisis Unjuk Kerja GCMOSHartono SiswonoFakultas Teknologi Indusffi, Universitas GunadarmaJl. Margonda Raya 100, Depok 16424E-mail : hartono@taff.eunadarma.ac.idPaulisan ini adalah suatu analisa terhadap divais Graded-Channel Metal'Oxide-Fietd-Effea-Transistor atau disingkat GCMOSFET- Telanlogi GCMOSFETini bertrembang sebagai salah satu usaha untukmenenuhi kebutuhan divais dalam aplilasir reldah dan mempunyai performansi lebih tinggi. Pada penulisan ini ditelcankan unnkl<eunggulan GCMOSFET dibanding dengan MOSFET ungraded. GCMOSFET dapat, output Ip lang lebih besar iilca dibandinglan dengan MOSFET ungraded.arus Ie ini terjadi disebablan pengaruh graded channel pada divais yangpanjang channel efektif yang lebih lcecil daripada paniang channel efefuif MOSFETDari hasil simulasi dengan berbantuan peranglat tunak S-PISCES 28 dan MATLABdiatnjutrtran bahwa Ip lang dihasilkan GCMOSFET lebih besar daripada Ia yangbn MOSFET ungraded, sebagai contohnya untuk Y6 = 4 V dan Vo : 4 V, Ip padasana dengan 1,47589798 e-04 A, sedanglran pada GCMOSFET sama dengan2 e-04 A. Di samping itu, misallun untuk menghasilkan ID : 1,10687718 e-04 A padaVET diperlukan V6: 3 V dan Yo: 4 V, sedanglun pada GCMOSFET diperluknn V6 : 2 V7o: 3,4 V. Hat ini menunjukkan bahwa GCMOSFET menglansumsi daya yang lebih rendahMOSFETungraded.PendahuluanPeningkatan aplikasi Digital Signal Processing (DSP) untuk produk komunikasisalah satu penyebab meningkatnya pengembangan teknologi VLSI teganganlaya rendah, performansi tinggi dan biaya rendah untuk aplikasi DSP [1].Pada rangkaian CMOS, konsumsi daya total terdiri dari dua komponen, yaitu: dayadan daya statik. Daya dinamik proporsional dengan Voo2. Voo merupakan tegahgan. Daya statik ditentukan oleh leakage curuent Disini berarti jika Vpp diturunkan, maka akanrkan konsumsi daya. Akan tetapi menurunkan Vpp , juga berarti menurunkan current drive.disebabkan oleh karena currint drive proporsional dengan (Vpo - VJ'. [2] Vt adalahthreshold.Disebabkan hal-hal di atas, harus dilakukan penurunan skala divais dan penurunantgmgan threshold atau V,. Akan tetapi, muncul masalah lain, yaitu short channel effect yanggakibatkan peningkatan leakage current, yang berarti naiknya konsumsi daya statik- Dirying itu, pengskalaan divais memerlukan tingkat teknologi yang lebih baik dan kompleks. Olehbrnanya, mengembangkan kecepatan rangkaian pada tegangan rendah merupakan suatuEtangan.Kebutuhan divais berperformansi tinggi, daya rendah, dan juga ekonomis terus meni.ngkat;1$ karenanya, teknologi Graded Channel MOSFET dikembangkan dengan tujuan untukmperoleh divais yang memiliki peningkatan kecepatan pada tegangan yang lebih rendah, tetapihga lebih ekonomis.B-8 Proceedings, Komputcdan Sistem Intelijen (KOMMIT 2002)Auditorium Universitas Gunadarm4 Jakarta, 2l -22 Agushrs 20022. Struktur dan Teknologil GCMOSI'ET2.1 Struktur GCMOSFETStnrktur GCMOSFET hampir sama dengan struktur MOSFET ungraded, kecuali padairnplantasi pengatur tegangan threshold V,, pada MOSFET diganti dengan suatu implantasigradcd-channel pada sisi source saja {discbut unilateral) . Species implantasi GC (grade-channel)berlawanan dengan yang terdapat pada source/drain, sebaggi sontoh suatu GC tipe-p untuk divaisn-channel dan GC tipe-n untuk divais p-channcl. [3] Gambar l. menunjukkan struktur dasar divaisuntuk unilaterat GCMOSFET dibandingkan dengan divais MOSFET ungraded.Gambar I. Struktur Divais (a) CMOS ungraded, (b) GCMOSFET UnilateralGambar 2. menunjukkan bentuk doping dari struktur GCMOSFET. Dibandingkan denganMOSFET ungraded dengan channel terdoping merata, maka doping channel sepanjang permukaanpada GCMOSFET adalah "bertingkat" atau "graded".18161 €' t5----{-----.- fwGambar 2. BentukDoping Dari Unilateral GCMOSFETDivais GCMOSFET, seperti ditunjukkan gambar 3., dapat dilihat sebagai dua subdivaisyang dihubungkan series, satu pada sisi source dan yang lain pada sisi drain, dengan teganganthreshold (V1) masing-masing yang berbeda. Pada sisi source, karena doping GC yang lebih tinggrdaripada doping well, subdivais dengan panjang "channel" L"n, memiliki V, yang lebih tinggi.Sebaliknya pada sisi drain, doping channel sama dengan doping well, karenanya subdivais inimemiliki V yang lebih rendah dengan suatu panjang channel Lap. V, dari GCMOS ditentukan olehsubdivais pada sisi source. Panjang channel effektif ditennrkan oleh region GC , yaitu L"n, yffigtentunyajauh lebih pendek daripada panjang gate secara phisik. Sebagai hasilnya, untuk panjanggate secara phisik yang sama, divais GCMOSFET dapat menghasilkan arus drive yang lebih tinggidan puncak transkonduktansi yang lebih tinggi dibandingkan, divais MOSFET ungraded, berartimenghasilkan suatu divais berperformansi tinggi. Implantasi GC juga efektif untuk menekan shortIE6iAnalisis Unjuk Kerja GCMOSchannel effect. Karenanya, dibandingkan dengan MOSFET ungraded, GCMOSFET memberikansuatu divais dengan arus drive yang lebih tinggi .Di samping itu, teknologi GCMOSFET adalahkompatibel dengan teknologi CMOS.L gatel.#-lF-__|Len LdpGambar 3. Struktur GCMOSFET Unilateral menunjukkan l<onsep dari dua subdivais2.2 Teknologi GCMOSFETGCMOSFET berdasarkan proses CMOS, dengan modul GC ditambahkan untukmenggantikan modul implantasi Vt, ditambah modifikasi minor pada front-end-of-theline (FEOL),atau bagian awal proses, untuk mengoptimasi GCMOSFET. Back-end-of-theJine (BEOL), ataubagian akhir dari proses, adalah identik dengan teknologi CMOS. Karena modul GC hanyamerupakan penambahan pada proses GCMOSFET, sembarang aris produksi dengan kapabilitassubmikron dapat menghasilkan GCMOSFET performansi tinggi tanpa peningkatan teknologi yangberlebihan, yang berarti menghasilkan suatu penghematan biaya yang penting.3. Analisa3.1 Analisa Kedalaman Channel Pada SaturasiB-9Pada Gambar 4. di bawah ini. kembali dituniukkan sebuah MOSFETGambar 4. MOSFET beroperasi pada daerah linear [4JProceedings, Komputer ilan Sistem Intelijen (KOMMIT 2002)Auditorium Universitas Gunadarm& Jakarta' 2l - 22Aguqhq2002Q" adalah densitas muatan pada inversion tayer datQ" dapat dinyatakan dengan:[ t  / . .  \  . l ;  . , . le"=r/2e.Ne. t" ] l  rv,. l?l"w*'-on,t l '  - tnxF; (r)LL \Poo) I  IJika Q,:0, maka[ r -  / .  \  t i  , lrr  v,+l !a-1"{o* ' -on')  |  - tP*"Fl :o Q\{zq'No' t" tL F'- , ' \o*)-  J , lSetelah itu, kedua ruas kiri dan kanan dibagi dengan {Z q .No. Lp, sehingga dapat dinyatakandengan persamaan (3):f  /  r  l r  .lB*,  * [3" l " to*.o ' )  [ ; -pv,Yi  :o (3)L - t .P'o) Jkemudian, dengan memindahkan bagian negatif ke ruas kanan dari persamaan, sehingga diperolehI  f -  \  l r  rI Bn,*l!-l"o*,-o'"tl; : 1pv")i (4)|  [Poo) JDilanjutkan dengan pengkuadratan pada kedua ruas dari persamaan (4), maka akan diperoltpersamaan (5)/ \tn lFv,* l  "oo l " (Fv'-ovol  BV,\Poo )Dengan memindahkan BY, dari ruas kiri ke ruas kanan dari persamaan(5), akan diperoleh:/ \[  'oo l  "$*,-on,)  -  0lp^ )Sehingga dapat dinyatakan dengan:"( fv,- fvol  -  gatau dengan cara penulisan lain dapat dinyatakan dengan:o fY'J--=rr- = 0e ! 'oAnalisis Unjuk Kerja GCMOS B-11ini dapat terjadi jika dan hanya jikae fvodan ini berartiVp >> Y.Seperti ditunjukkan oleh Gambar 5, jika Vo >> Yr, akan menghasilkan nilai kedalaman channelatau Xi:03.2Gambar 5. Variosi Energt Band Pada Keadaan Nonequilibrium Pada Drain. [4JAnalisa Lebar DepletionPada Gambar 6 ditunjukkan bahwa pada y = L, maka x;: 0 ketika VD : V"u1VCtVl\\-#i---p-sl PIAEH-oFF\ - - - - - - - - - -O€PLETIO'{ R€GIOiIGambar 6. MOSFET Pada Saturasi [41Q.:Q"+QaDenganQ. = densitas total muatan pada semikonduktor per satuan luasQn : densitas muatan pada inversion layerQa : densitas muatan pada depletion layerDisebabkan pada sa'at pinch-olf , Qn:0, maka Q6 akan mencapai nilaikarenanya, ketika xi :0, maka lebar depletion akan mencapai nilai maksimum.(e)maksimum. OlehB-r2 Proceedings, Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2002)Lebar depletion dapat dinyatakan dengan:w=wAuditorium Universitas Gunadarma Jal€rta, 2l -22 Agustus 2002(10)dengan Na merupakan dopW acceptor, dan jika Nr semakin tinggi, akan mengakibatkan ilai Wsemakin rendah, atau sebaliknya, nilai Nr semakin rendah, maka nilai W atau lebar depletionsemakin tinggi.Sekarang jika dilihat pada divais GCMOSFET, karena konsentrasi pada region GC lebihtinggi daripada konsenfasi pada bagian substratg maka lebar depletion pada daerah GC regionlebih rendah dari lebar depletion pada daerah lainnya.Sehingga ketika Vps mencapai nilai saturasi pada GCMOSFET, maka lebar depletion padabagian substrate lain akan semakin lebar dan ini mongakibatkan seluruh bagian lain tersebutse6-agai kepanjangan dari drain untuk divais. Hal ini mengakibatkan panjan_g channel efektif divaismerupakan Le6 |ang tentunya lebih pendek dari pzda L gate yang sebenarny4 soperti yangditunjukkan pada Gimbar 7, dengan W; adalah lebar depletion pada sisi sozrce dan W2 adalahlebaidepletion pada sisi drain. Karena Io berbanding terbalik dengan panjang channel, sehinggadengan hal ini, dapat diperoleh Ie yang lebih besar.*--l l.-Lefft lLGambar 7. Lebar Depletion Dari GCMOSFETIni berarti lebar depletion pada bagian well yanglain lebih besar daripada lebar depletion padabagian GC. Sehingga, mengakibatkan bagian GC menjadi panjang channel efektii sedangkanUagian well lainnya menjadi seolah-olah kepanjangan daripada drain. Hal ini mengakibatkanCCUOSp6T menghasilkan suatu divais dengan panjang channel efektif yang lebih kecil daripadapanjang channel efektif pada MOSFET ungraded.3.3 Simulasi Dengan S-PISCES 28Pada bagian ini akan diperlihatkan hasil simulasi dari MOSFET ungraded danGCMOSFET. Simulasi dilakukan dengan bantuan S-PISCES2B [5] dan MATLAB [6].Analisis Unjuk Kerja GCMOS B-13Pada Gambar 8. ditunjukkan hasil simulasi [o - Vn pada MOSFET.1.81.61.41.21!0.80.6o.4o.20r lOvg =4v M=3VMvg =2v MVg=1vuVdGambar 8. Io Versus Vo Pad.a MOSFET Berdasarkan Hasil SimulasiKemudian simulasi dilakukan untuk GCMOSFET, dan diperoleh hasil seperti ditunjukkanpada Gambar 9.x10ivg =+vccvs = 3vcc=2V GCvg=1vGcGambar 9. Ip Versus Vo Pada GCMOSFET Berdasarkan Hasil SimulasiKemudian hasil simulasi MOSFET dan hasil simulasi GCMOSFET digabungkan menjadisatu, sehingga dapat terlihat perbandingannya secara lebih jelas. Perbandingan ini dapat dilihatpada Gambar 10. Pada gambar ini VG: lV M menyatakan kurva untuk Vc = lV pada MOSFET,dan VG: lV GC menyatakan kurva untuk Vc = lV pada GCMOSFET, dan seterusnya.B-14 Proceedings, Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2002)Auditorium Universitas Gunadarma, Jakarta, 2l -22 Agustus 20022! 1.510.5oVdGambar I0- Perbandingan Hasil Simulasi Ip- Yppad.a MOSFET dan GCMOSFETBerdasarkan hasil simulasi ini, sebagai contoh perbandingan dapat dilihat pada Tabel 1.Pada Tabel I ditunjukkan bahwa Ip ]ang ainasiltan GCMOSFET lebih besar daripada Ip yangdihasilkan MOSFET.Seperti telah dijelaskan pada bagian sebelumnya dari tesis ini, hasil yangdiperoleh dapat terjadi karena GCMOSFET memiliki Len atau panjang channel efektif yang lebihkecil daripada panjang channel efektif MOSFET, dan Io berbanding terbalik dengan panjangchannel efektil sehingga GCMOSFET dapat menghasilkan [p ]ang lebih besar daripada Ip ]angdihasilkan MOSFET.Tabel I Perbandingan lppada MOSFET dan GCMOSFETDi samping itu, misalkan untuk memperoleh Io: 1o 10687718 e-04 A, pada MOSFETdiperlukan Vc = 3 V dan Vo : 4 V, sedangkan pada GCMOSFET diperlukan Yc:2 V dan Vp =3,4 V. Untuk hal ini jelas terlihat bahwa GCMOSFET mengkonsumsi daya yang lebih rendahdaripada MOSFET , dengan tanpa mengurangi hasil performansi arus drainnya. Sehingga dapatdikatakan bahwa GCMOSFET dapat dikatakan sebagai suatu divais yang mengkonsumsi dayarendah, dan GCMOSFET dapat memenuhi kebutuhan akan divais untuk aplikasi daya rendah.KesimpulanDari tulisan ini, dapat diambil tiga kesimpulan utama seperti uraian di bawah iniGCMOSFET dapat menghasilkan suatu divais dengan panjang channel efektif yang lebihpendek daripada panjang gate secara phisik. Dalam hal ini dapat diperoleh suatu divais yangkecil, tanpa memerlukan penekanan teknologi yang berlebihan.4.l .Analisis Unjuk Kerja GCMOS B-15Z. Karena GCMOSFET memiliki panjang channel efektif yang lebih pendek daripada panjangchannel efektif MOSFET ungraded, sehingga GCMOSFET menghasilkan arus Ip yang lebihbesar daripada arus Ip yang dihasilkan oleh MOSFET ungraded. Dari hasil simulasi denganperangkat lunak S-PISCES 28, dapat dilihat bahwa GCMOSFET menghasilkan Io yang lebihbesar jika dibandingkan dengan MOSFET ungraded. Sebagai contoh, pada V6= 4 V dan Vo= 4V, pada MOSFET menghasilkan Ip: 1,47589798 e-04 A, sedangkan pada GCMOSFETmenghasilkar Iu : 2,597387 52 e-04 A.3. Untuk memperoleh Ip tertentu, misalkan untuk memperoleh Io : 1,10687718 e-44 A, padaMOSFET diperlukan Vc= 3 V dan Vo = 4 V, sedangkan pada GCMOSFET diperlukan V6= 2V dan Vp = 3,4 V. Karena hal ini, berarti GCMOSFET mengkonsumsi daya yang lebih rendahdibandingkan MOSFET ungraded.5. Daftar Pustakatl] Ma, J. , Han. B.L. , R.A. Pryor, S. Cheng, M.H. Kaneshiro, C.S. Kyono, dan K. Papworth,'7Graded-Channel MAS GCMOS) YLSI Technolog for Low Power DSP Application,"ISLPED, pp. 129-132, 1996.tZ) Weste, N.H.E. dan K.esraghian, "Principles of CMOS YLSI Design. " lst ed. Reading,Massachusetts: Addison-Wesley, 1 985.Ma, J. , Han. B.L. , R.A. Pryor, S. Cheng, M.H. Kaneshiro, C.S. Kyono, dan K. Papworth,*Graded-Channel MOSFET (GCMOSFET) for High Performance, Low Voltage DSPApplications,' IEEE Trans. VLSI System, vol.5, pp.352-359, Desember 1997.Sze, S.M.,'?&ysics of Semiconductor Devicesr" 2no ed., New York: John Wiley & Sons,1981.Silvaco International,"S-Pisces2B Version 4.09 User Manualr" 199I.The Math Works Inc, "The Student Edition of MATLAB for MS-DOS Personal Computers,"Englewood Cliffs, New Jers ey : Prentice-H all, 19 9 2.i3lt4lt5lt6l

Analisis Unjuk Kerja GCMOS

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Gunadarma University Repository