Analisis Unjuk Kerja GCMOS

Transkripsi

1 Aalii Ujuk Krja GCMOS Hartoo Siwoo Fakulta Tkologi Idutri, Uivrita Guadarma Jl. Margoda Raya, ok hartoo@taff.guadarma.ac.id Abtrak Pulia ii adalah uatu aalia trhada divai Gradd-Chal Mtal-Oxid- Smicoductor Fild-Effct-Traitor atau diigkat GCMOSFET. Tkologi GCMOSFET dwaa ii brkmbag bagai alah atu uaha utuk mmuhi kbutuha divai dalam alikai brdaya rdah da mmuyai rformai lbih tiggi. Pada ulia ii ditkaka utuk mgaalia kuggula GCMOSFET dibadig dga MOSFET ugradd. GCMOSFET daat mghailka outut I yag lbih bar jika dibadigka dga MOSFET ugradd. Pigkata aru I ii trjadi dibabka garuh gradd chal ada divai yag mghailka ajag chal fktif yag lbih kcil dariada ajag chal fktif MOSFET ugradd. ari hail imulai dga brbatua ragkat luak S-PISCES B da MATLAB daat ditujukka bahwa I yag dihailka GCMOSFET lbih bar dariada I yag dihailka MOSFET ugradd, bagai cotohya utuk G = 4 da = 4, I ada MOSFET ama dga, A, dagka ada GCMOSFET ama dga, A. i amig itu, mialka utuk mghailka I =, A ada MOSFET dirluka G = 3 da = 4, dagka ada GCMOSFET dirluka G = da = 3,4. Hal ii mujukka bahwa GCMOSFET mgkoumi daya yag lbih rdah dibadigka MOSFET ugradd... Pdahulua Pigkata alikai igital Sigal Procig (SP) utuk roduk komuikai mruaka alah atu ybab migkatya gmbaga tkologi LSI tgaga rdah/daya rdah, rformai tiggi da biaya rdah utuk alikai SP []. Pada ragkaia CMOS, koumi daya total trdiri dari dua komo, yaitu: daya diamik da daya tatik. aya diamik roorioal dga. mruaka tgaga uly. aya tatik dittuka olh lakag currt. iii brarti jika dituruka, maka aka muruka koumi daya. Aka ttai muruka, juga brarti muruka currt driv. Hal ii dibabka olh kara currt driv roorioal dga ( - t ). [] t adalah tgaga thrhold. ibabka hal-hal di ata, haru dilakuka urua kala divai da urua tgaga thrhold atau t. Aka ttai, mucul maalah lai, yaitu hort chal ffct yag mgakibatka igkata lakag currt, yag brarti aikya koumi daya tatik. i amig itu, gkalaa divai mmrluka tigkat tkologi yag lbih baik da komlk. Olh karaya, mgmbagka kcata ragkaia ada tgaga rdah mruaka uatu tataga. Kbutuha divai brrformai tiggi, daya rdah, da juga koomi tru migkat; olh karaya, tkologi Gradd Chal MOSFET dikmbagka dga tujua utuk mmrolh divai yag mmiliki igkata kcata ada tgaga yag lbih rdah, ttai juga lbih koomi. B-7

2 B-8 Procdig, Komutr da Sitm Itlij (KOMMIT ) Auditorium Uivrita Guadarma, Jakarta, Agutu. Struktur da TkologiI GCMOSFET. Struktur GCMOSFET Struktur GCMOSFET hamir ama dga truktur MOSFET ugradd, kcuali ada imlatai gatur tgaga thrhold, t, ada MOSFET digati dga uatu imlatai gradd-chal ada ii ourc aja (dibut uilatral). Sci imlatai GC (grad-chal) brlawaa dga yag trdaat ada ourc/drai, bagai cotoh uatu GC ti- utuk divai -chal da GC ti- utuk divai -chal. [3] Gambar. mujukka truktur daar divai utuk uilatral GCMOSFET dibadigka dga divai MOSFET ugradd. GATE SUBSTRATE a GATE GC SUBSTRATE b Gambar. Struktur ivai (a) CMOS ugradd, (b) GCMOSFET Uilatral Gambar. mujukka btuk doig dari truktur GCMOSFET. ibadigka dga MOSFET ugradd dga chal trdoig mrata, maka doig chal ajag rmukaa ada GCMOSFET adalah brtigkat atau gradd. E S N KONSENTRASI OPING E 6 E 5 PANJANG Gambar. Btuk oig ari Uilatral GCMOSFET ivai GCMOSFET, rti ditujukka gambar 3., daat dilihat bagai dua ubdivai yag dihubugka ri, atu ada ii ourc da yag lai ada ii drai, dga tgaga thrhold ( t ) maig-maig yag brbda. Pada ii ourc, kara doig GC yag lbih tiggi dariada doig wll, ubdivai dga ajag chal L, mmiliki t yag lbih tiggi. Sbalikya ada ii drai, doig chal ama dga doig wll, karaya ubdivai ii mmiliki t yag lbih rdah dga uatu ajag chal L d. t dari GCMOS dittuka olh ubdivai ada ii ourc. Pajag chal ffktif dittuka olh rgio GC, yaitu L, yag ttuya jauh lbih dk dariada ajag gat cara hiik. Sbagai hailya, utuk ajag gat cara hiik yag ama, divai GCMOSFET daat mghailka aru driv yag lbih tiggi da ucak trakoduktai yag lbih tiggi dibadigka divai MOSFET ugradd, brarti mghailka uatu divai brrformai tiggi. Imlatai GC juga fktif utuk mka hort

3 Aalii Ujuk Krja GCMOS B-9 chal ffct. Karaya, dibadigka dga MOSFET ugradd, GCMOSFET mmbrika uatu divai dga aru driv yag lbih tiggi.i amig itu, tkologi GCMOSFET adalah komatibl dga tkologi CMOS. L gat GATE GC SUBSTRATE L L d Gambar 3. Struktur GCMOSFET Uilatral mujukka ko dari dua ubdivai. Tkologi GCMOSFET GCMOSFET brdaarka ro CMOS, dga modul GC ditambahka utuk mggatika modul imlatai t, ditambah modifikai mior ada frot-d-of-th-li (FEOL), atau bagia awal ro, utuk mgotimai GCMOSFET. Back-d-of-th-li (BEOL), atau bagia akhir dari ro, adalah idtik dga tkologi CMOS. Kara modul GC haya mruaka ambaha ada ro GCMOSFET, mbarag gari roduki dga kaabilita ubmikro daat mghailka GCMOSFET rformai tiggi taa igkata tkologi yag brlbiha, yag brarti mghailka uatu ghmata biaya yag tig. 3. Aalia 3. Aalia Kdalama Chal Pada Saturai Pada Gambar 4. di bawah ii, kmbali ditujukka buah MOSFET Gambar 4. MOSFET brorai ada darah liar [4]

4 Procdig, Komutr da Sitm Itlij (KOMMIT ) Auditorium Uivrita Guadarma, Jakarta, Agutu B- Q adalah dita muata ada ivrio layr da Q daat diyataka dga: Q = q.n A. L ( ) ( ) () Jika Q =, maka q.n A. L ( ) ( ) = () Stlah itu, kdua rua kiri da kaa dibagi dga q.n A. L, higga daat diyataka dga ramaa (3): ( ) ( ) S = (3) kmudia, dga mmidahka bagia gatif k rua kaa dari ramaa, higga dirolh: ( ) = ( ) (4) ilajutka dga gkuadrata ada kdua rua dari ramaa (4), maka aka dirolh ramaa (5) ( ) = (5) ga mmidahka dari rua kiri k rua kaa dari ramaa (5), aka dirolh: ( ) = (6) Shigga daat diyataka dga: ( ) = (7) atau dga cara ulia lai daat diyataka dga: (8)

5 Aalii Ujuk Krja GCMOS B- ii daat trjadi jika da haya jika >> da ii brarti >> Srti ditujukka olh Gambar 5, jika >>, aka mghailka ilai kdalama chal atau x i = Gambar 5. ariai Ergy Bad Pada Kadaa Noquilibrium Pada rai. [4] 3. Aalia Lbar ltio Pada Gambar 6 ditujukka bahwa ada y = L, maka x i = ktika = at. Gambar 6. MOSFET Pada Saturai [4] Q = Q Q d (9) ga Q = dita total muata ada mikoduktor r atua lua Q = dita muata ada ivrio layr Q d = dita muata ada dltio layr ibabka ada a at ich-off, Q =, maka Q d aka mcaai ilai makimum. Olh karaya, ktika x i =, maka lbar dltio aka mcaai ilai makimum.

6 B- Procdig, Komutr da Sitm Itlij (KOMMIT ) Auditorium Uivrita Guadarma, Jakarta, Agutu Lbar dltio daat diyataka dga: ( B BS ) q N A W = ε / () dga N A mruaka doig acctor, da jika N A maki tiggi, aka mgakibatka ilai W maki rdah, atau balikya, ilai N A maki rdah, maka ilai W atau lbar dltio maki tiggi. Skarag jika dilihat ada divai GCMOSFET, kara kotrai ada rgio GC lbih tiggi dariada kotrai ada bagia ubtrat, maka lbar dltio ada darah GC rgio lbih rdah dari lbar dltio ada darah laiya. Shigga ktika S mcaai ilai aturai ada GCMOSFET, maka lbar dltio ada bagia ubtrat lai aka maki lbar da ii mgakibatka luruh bagia lai trbut bagai kajaga dari drai utuk divai. Hal ii mgakibatka ajag chal fktif divai mruaka L ff yag ttuya lbih dk dari ada L gat yag barya, rti yag ditujukka ada Gambar 7, dga W adalah lbar dltio ada ii ourc da W adalah lbar dltio ada ii drai. Kara I brbadig trbalik dga ajag chal, higga dga hal ii, daat dirolh I yag lbih bar. g W W Lff Gambar 7. Lbar ltio ari GCMOSFET Ii brarti lbar dltio ada bagia wll yag lai lbih bar dariada lbar dltio ada bagia GC. Shigga, mgakibatka bagia GC mjadi ajag chal fktif, dagka bagia wll laiya mjadi olah-olah kajaga dariada drai. Hal ii mgakibatka GCMOSFET mghailka uatu divai dga ajag chal fktif yag lbih kcil dariada ajag chal fktif ada MOSFET ugradd. 3.3 Simulai ga S-PISCES B Pada bagia ii aka dirlihatka hail imulai dari MOSFET ugradd da GCMOSFET. Simulai dilakuka dga batua S-PISCESB [5] da MATLAB [6]. L

7 Aalii Ujuk Krja GCMOS B-3 Pada Gambar 8. ditujukka hail imulai I ada MOSFET..8 x -4.6 g = 4.4. g = 3 Id.8.6 g =.4. g = d Gambar 8. I ru Pada MOSFET Brdaarka Hail Simulai Kmudia imulai dilakuka utuk GCMOSFET, da dirolh hail rti ditujukka ada Gambar x -4 g = 4 g = 3 Id.5 g =.5 g = d Gambar 9. I ru Pada GCMOSFET Brdaarka Hail Simulai Kmudia hail imulai MOSFET da hail imulai GCMOSFET digabugka mjadi atu, higga daat trlihat rbadigaya cara lbih jla. Prbadiga ii daat dilihat ada Gambar. Pada gambar ii G = M myataka kurva utuk G = ada MOSFET, da G = GC myataka kurva utuk G = ada GCMOSFET, da truya.

8 B-4 Procdig, Komutr da Sitm Itlij (KOMMIT ) Auditorium Uivrita Guadarma, Jakarta, Agutu 3 x -4.5 g = 4 GC g = 3 GC Id.5.5 g = 4 M g = GC g = 3 M g = M g = GC g = M d Gambar. Prbadiga Hail Simulai I ada MOSFET da GCMOSFET Brdaarka hail imulai ii, bagai cotoh rbadiga daat dilihat ada Tabl. Pada Tabl ditujukka bahwa I yag dihailka GCMOSFET lbih bar dariada I yag dihailka MOSFET.Srti tlah dijlaka ada bagia blumya dari ti ii, hail yag dirolh daat trjadi kara GCMOSFET mmiliki L ff atau ajag chal fktif yag lbih kcil dariada ajag chal fktif MOSFET, da I brbadig trbalik dga ajag chal fktif, higga GCMOSFET daat mghailka I yag lbih bar dariada I yag dihailka MOSFET. Tabl Prbadiga I ada MOSFET da GCMOSFET G I ada MOSFET I ada GCMOSFET 4, , , , , , , , i amig itu, mialka utuk mmrolh I =, A, ada MOSFET dirluka G = 3 da = 4, dagka ada GCMOSFET dirluka G = da = 3,4. Utuk hal ii jla trlihat bahwa GCMOSFET mgkoumi daya yag lbih rdah dariada MOSFET, dga taa mguragi hail rformai aru draiya. Shigga daat dikataka bahwa GCMOSFET daat dikataka bagai uatu divai yag mgkoumi daya rdah, da GCMOSFET daat mmuhi kbutuha aka divai utuk alikai daya rdah. 4. Kimula ari tulia ii, daat diambil tiga kimula utama rti uraia di bawah ii. GCMOSFET daat mghailka uatu divai dga ajag chal fktif yag lbih dk dariada ajag gat cara hiik. alam hal ii daat dirolh uatu divai yag kcil, taa mmrluka kaa tkologi yag brlbiha.

9 Aalii Ujuk Krja GCMOS B-5. Kara GCMOSFET mmiliki ajag chal fktif yag lbih dk dariada ajag chal fktif MOSFET ugradd, higga GCMOSFET mghailka aru I yag lbih bar dariada aru I yag dihailka olh MOSFET ugradd. ari hail imulai dga ragkat luak S-PISCES B, daat dilihat bahwa GCMOSFET mghailka I yag lbih bar jika dibadigka dga MOSFET ugradd. Sbagai cotoh, ada G = 4 da = 4, ada MOSFET mghailka I =, A, dagka ada GCMOSFET mghailka I =, A. 3. Utuk mmrolh I trttu, mialka utuk mmrolh I =, A, ada MOSFET dirluka G = 3 da = 4, dagka ada GCMOSFET dirluka G = da = 3,4. Kara hal ii, brarti GCMOSFET mgkoumi daya yag lbih rdah dibadigka MOSFET ugradd. 5. aftar Putaka [] Ma, J., Ha. B.L., R.A. Pryor, S. Chg, M.H. Kahiro, C.S. Kyoo, da K. Paworth, A Gradd-Chal MOS (GCMOS) LSI Tchology for Low Powr SP Alicatio, ISLPE,. 9-3, 996. [] Wt, N.H.E. da K.raghia, Pricil of CMOS LSI ig, t d. Radig, Maachutt: Addio-Wly, 985. [3] Ma, J., Ha. B.L., R.A. Pryor, S. Chg, M.H. Kahiro, C.S. Kyoo, da K. Paworth, Gradd-Chal MOSFET (GCMOSFET) for High Prformac, Low oltag SP Alicatio, IEEE Tra. LSI Sytm, vol.5, , mbr 997. [4] Sz, S.M., Phyic of Smicoductor vic, d d., Nw York: Joh Wily & So, 98. [5] Silvaco Itratioal, S-PicB rio 4.9 Ur Maual, 99. [6] Th Math Work Ic, Th Studt Editio of MATLAB for MS-OS Proal Comutr, Eglwood Cliff, Nw Jry: Prtic-Hall, 99.