VLSI5

LLeeccttuurree 55
PPeerrffoorrmmaannccee CChhaarraacctteerriizzaattiioonn

TTooppiiccss
–– RReessiissttaannccee EEssttiimmaattiioonn
–– CCaappaacciittaannccee EEssttiimmaattiioonn
–– IInndduuccttaannccee EEssttiimmaattiioonn

Vout
VDD
IInnvveerrtteerr VVoollttaaggee TTrraannssffeerr CCuurrvvee
VDD
Vin

VVoollttaaggee vveerrssuuss TTiimmee ccuurrvvee ((iiddeeaall))
Vin
Vout
VDD
time

GGaattee ddeellaayy
VVoollttaaggee vveerrssuuss TTiimmee ccuurrvvee
VDD
Vin
Vout
time

V1 V2
IInntteerrccoonnnneecctt ddeellaayy
V1
V2
VDD
time

 DDeellaayy
–– PPrriimmaarryy ddeetteerrmmiinnaanntt ooff tthhee ssppeeeedd ooff aa cciirrccuuiitt
–– DDuuee ttoo rreessiissttaanncceess aanndd ccaappaacciittaanncceess
IInnttrriinnssiicc rreessiissttaannccee aanndd ccaappaacciittaannccee
EExxttrriinnssiicc rreessiissttaannccee aanndd ccaappaacciittaannccee

RReessiissttaannccee EEssttiimmaattiioonn
 DDeeppeennddeenntt oonn rreessiissttiivviittyy ooff mmaatteerriiaall
 DDiirreeccttllyy pprrooppoorrttiioonnaall ttoo lleennggtthh
 IInnvveerrsseellyy pprrooppoorrttiioonnaall ttoo ccrroossss--sseeccttiioonnaall
aarreeaa
R  
l
A

L
R  
A
 L

H W
L
 RS
W
H
L
W

H
W L
 RRSS iiss tthhee sshheeeett rreessiissttaannccee eexxpprreesssseedd iinn
tteerrmmss ooff //



H
2W 2L

IInntteerrccoonnnneecctt MMaatteerriiaall TTyyppiiccaall RReessiissttaannccee ((//))
TToopp mmeettaall 00..0055--00..11
PPoollyyssiilliiccoonn 115500--220000
DDiiffffuussiioonn 5500--115500

 IInnttrriinnssiicc rreessiissttaannccee
 IInn lliinneeaarr rreeggiioonn
 V 2 
I  kV V V  DS

DS GS

T DS
2 

1 1
R  
1 L

kVGS VT  W
Cox
L
VGS VT  Cox
VGS  VT W
1
R 
S
oxVGS VT 
eq
C

RReessiissttaannccee EEssttiimmaattiioonn

 IInnttrriinnssiicc rreessiissttaannccee
–– DDeeppeennddeenntt oonn CCooxx aanndd ccaarrrriieerr mmoobbiilliittyy
–– TTeemmppeerraattuurree vvaarriiaanntt
–– TTyyppiiccaallllyy 11000000--3300000000 //

CCaappaacciittaannccee EEssttiimmaattiioonn


 CCaappaacciittaannccee iinn ccoonncceerrtt wwiitthh iinntteerrccoonnnneecctt
rreessiissttaannccee iiss tthhee pprriimmaarryy ddeetteerrmmiinnaanntt ooff
iinntteerrccoonnnneecctt ddeellaayyss
 IInnttrriinnssiicc ccaappaacciittaannccee
 IInntteerrccoonnnneecctt ccaappaacciittaanncceess

MMOOSS ddeevviiccee ccaappaacciittaanncceess
 OOvveerrllaapp rreellaatteedd ccaappaacciittaannccee
 CChhaannnneell rreellaatteedd ccaappaacciittaanncceess
–– DDeeppeennddeenntt oonn rreeggiioonn ooff ooppeerraattiioonn
 DDiiffffuussiioonn ttoo ssuubbssttrraattee ccaappaacciittaanncceess

Gate
Source
CGSO
n+
CSB
CGCS
CGCB
CGCD
CGDO
n+
CDB
Drain

CGCD
CGCS
CDB
CGCB
CSB

 OOvveerrllaapp rreellaatteedd ccaappaacciittaannccee
CGSO  CDSO 
ox
tox
Aoverlap  Cox xDW
 UUssuuaallllyy ccaann bbee iiggnnoorreedd ssiinnccee xxDD iiss vveerryy
ssmmaallll

–– CCuuttooffff
NNoo cchhaannnneell
TThheerreeffoorree,, nnoo ggaattee ttoo ssoouurrccee oorr ddrraaiinn ccaappaacciittaanncceess

Gate
Source
n+
C0
Cdep
Drain
n+
GCB 


C0Cdep
C0  Cdep
C0  CoxWL
Cdep 
silicon
WL
d
C

–– CCuuttooffff
NNoo cchhaannnneell
TThheerreeffoorree,, nnoo ggaattee ttoo ssoouurrccee oorr ddrraaiinn ccaappaacciittaanncceess
–– AAss ggaattee vvoollttaaggee iinnccrreeaasseess,, ddeepplleettiioonn rreeggiioonn ddeeeeppeennss,,
ccaauussiinngg CCddeepp ttoo ddeeccrreeaassee,, aanndd tthhuuss ddeeccrreeaassee tthhee
ggaattee ttoo bbooddyy ccaappaacciittaannccee
–– AAss ggaattee vvoollttaaggee nneeaarrss VVTT,, iinnvveerrssiioonn cchhaannnneell ffoorrmmss
ccaauussiinngg aa bbaarrrriieerr ffoorr tthhee ggaattee ttoo bbooddyy ccaappaacciittaannccee

Cgb
C0
C0Cdep
C0  Cdep
Vt Vgs

–– SSaattuurraattiioonn
CChhaannnneell iiss ppiinncchheedd ooffff
GGaattee ttoo ssoouurrccee ccaappaacciittaannccee eexxiissttss
GGaattee ttoo ddrraaiinn ccaappaacciittaannccee iiss zzeerroo
CGCB 
2
CoxWL
3
CGCD 0

–– LLiinneeaarr
CChhaannnneell iiss ffoorrmmeedd
TThheerreeffoorree,, nnoo ggaattee ttoo bbooddyy ccaappaacciittaannccee
CGCS  CGCD

CoxWL
2

CGCB
CGCS
CGCD
C0
2
C0
3
1
C0Cdep
2
C0
C0  Cdep
Vt VDS + Vt Vgs

C0
2
C
3
0
C0Cdep
C0  Cdep
Vt VDS + Vt Vgs
Cg

MMOOSS ddeevviiccee ccaappaacciittaannccee
 CChhaannnneell rreellaatteedd ccaappaacciittaannccee
 WWoorrsstt ccaassee Cg  CoxWL
 CCooxx rraannggeess ffrroomm 11..77--66 ffFF//mm22
 FFoorr aa 11..55 bbyy 11..55 cchhaannnneell
Cg  (6)(1.5)(1.5)
 13.5fF

W
 DDiiffffuussiioonn ttoo ssuubbssttrraattee ccaappaacciittaannccee
 JJuunnccttiioonn ccaappaacciittaannccee
LS
Cdiff  C j LSW
 CCjj iiss tthhee bboottttoomm--ppllaattee ccaappaacciittaannccee ppeerr aarreeaa

LS
 SSiiddee wwaallll oorr ppeerriipphheerryy ccaappaacciittaannccee ((ddrraaiinn aanndd ssoouurrccee
ssiiddeewwaallllss))
W
Cdiff  C jsw (2LS  W )
 CCjjssww iiss tthhee ssiiddee wwaallll ccaappaacciittaannccee ppeerr lliinneeaarr ddiissttaannccee
L

 CCjj iiss ttyyppiiccaallllyy ..55--22 ffFF//mm22
 CCjjssww iiss ttyyppiiccaallllyy ..2288--..44 ffFF//mm
 FFoorr aa 11..55 bbyy 11..55 ddiiffffuussiioonn rreeggiioonn
Cdiff  C j LSW  C jsw (2LS  W)
 2(1.5)(1.5)  .28(3.0 1.5)
 5.8 fF

IInntteerrccoonnnneecctt ccaappaacciittaanncceess
W
H
L
tdi
Cplate

di
WL
t
di

WWhheenn hh iiss ccoommppaarraabbllee iinn mmaaggnniittuuddee ttoo tt,,
ffrriinnggiinngg eelleeccttrriicc ffiieellddss ccaann iinnccrreeaassee tthhee ttoottaall
eeffffeeccttiivvee ppaarraassiittiicc ccaappaacciittaannccee
TThhee eeffffeecctt iiss mmaaggnniiffiieedd aass tthhee rraattiioo ooff ww ttoo hh
ddeeccrreeaasseess
IIff ww==hh,, tthhee eeffffeeccttiivvee ccaappaacciittaannccee ccaann bbee uupp ttoo
1100 ttiimmeess CCppllaattee
w
t
h

CCrroossss--IInntteerrccoonnnneecctt
ccaappaacciittaanncceess
CCaann bbee vveerryy ddiiffffiiccuulltt ttoo ccoommppuuttee
RReeqquuiirreess tthhrreeee ddiimmeennssiioonnaall ffiieelldd ssiimmuullaattiioonnss
UUssuuaallllyy pprroovviiddeedd bbyy pprroocceessss mmeeaassuurreemmeennttss

CCrroossss IInntteerrccoonnnneecctt
CCaappaacciittaanncceess
..2255mm pprroocceessss AArreeaa ((ffFF//mm22))
PPeerriimmeetteerr ((ffFF//mm))
PPoollyy oovveerr ooxxiiddee ..008888 ..005544
MMeettaall11 oovveerr ooxxiiddee ..003300 ..004400
MMeettaall22 oovveerr ooxxiiddee ..001133 ..002255
MMeettaall11 oovveerr ppoollyy ..005577 ..005544
MMeettaall22 oovveerr ppoollyy ..001177 ..002299
MMeettaall22 oovveerr MMeettaall11 ..003366 ..004455

 CCaann ddoommiinnaattee tthhee eeffffeecctt ooff tthhee ggaattee
ccaappaacciittaannccee
 EExxaammppllee:: 110000mm mmeettaall11 lliinnee oovveerr ooxxiiddee
–– AArreeaa ccaappaacciittaannccee:: 110000mm xx 11mm xx ..003300ffFF//mm22 == 33 ffFF
–– FFrriinnggiinngg ccaappaacciittaannccee:: 110000mm xx 22 xx ..004400ffFF//mm == 88..00 ffFF
–– TToottaall ccaappaacciittaannccee:: 1111 ffFF

IInndduuccttaannccee
 FFoorr tthhee mmoosstt ppaarrtt iiss nnoott aann iissssuuee
 WWiirree iinndduuccttaannccee iiss oonn tthhee oorrddeerr ooff 1100ss ooff ppHH ppeerr
mmmm
 SSmmaallll eennoouugghh ttoo iiggnnoorree eexxcceepptt ffoorr vveerryy hhiigghh
ppeerrffoorrmmaannccee cchhiippss
 IInndduuccttaannccee iiss uussuuaallllyy hhiigghheerr ffoorr II//OO iinntteerrffaacceess

DDeellaayy DDeeffiinniittiioonnss
VOH
(VOH+ VOL)/2
VOL
tf
VOH
V90%
time
tr
(VOH+ VOL)/2
V10% tdhl tdlh
time

R
Vin Vout
•Lumped RC model
C
•Charge Vin to VDD  
t 
•The transient output voltage is Vout (t)  VDD 1 e

RC


VDD
 V

1 e
tdlh 
RC

2
tdlh
DD
 
1
 ln 
RC 2
tdlh  .69RC

•Distributed RC ladder model
R/N R/N R/N R/N
Vin Vout
C/N C/N C/N C/N
•More accurate than lumped RC model
•More difficult to solve for large N
•Need full-scale SPICE simulation

EEllmmoorree DDeellaayy
SSiinnggllee lliinnee mmooddeell nnoott uusseeffuull ffoorr
ggeenneerraalliizzeedd RRCC ttrreeee nneettwwoorrkkss
R4
C4
R1 R2 R3
Vin
C1 C2 C3

NNeexxtt ccllaassss
MMoorree PPeerrffoorrmmaannccee CChhaarraacctteerriizzaattiioonn

VLSI5

More Related Content

What's hot (20)

Similar to VLSI5 (20)

More from Prakash Rao (20)

VLSI5