Analsi e modellazione della tecnologia CMOS: il ruolo fondamentale dell'inverter

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II

DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA ELETTRICA E DELLE TECNOLOGIE

DELL’INFORMAZIONE

TESI DI LAUREA

Analisi e Modellazione della Tecnologia CMOS

Digitale:

Il Ruolo Fondamentale dell’Inverter

Relatore:

Chiar.mo Prof. Antonio Strollo

Anno Accademico 2025/2026

Indice

1 Introduzione 2

2 La Tecnologia CMOS e il transistore MOSFET 2

2.1 Modellazione analitica del transistore MOSFET . . . . . . . . . . . . 2

2.2 Considerazioni sulla complementarietà . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

3 L’Inverter CMOS: Analisi Statica 3

3.1 Derivazione della Caratteristica di Trasferimento (VTC) . . . . . . . 3

3.2 Margini di Rumore e Immunità ai Disturbi . . . . . . . . . . . . . . . 4

4 Analisi Dinamica e Tempi di Propagazione 4

4.1 Tempi di commutazione e calcolo analitico . . . . . . . . . . . . . . . 5

5 Dissipazione di Potenza nei Circuiti CMOS 5

5.1 Componente di Potenza Dinamica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

5.2 Componente di Potenza Statica e problematiche nanometriche . . . . 6

6 Conclusioni 6

1

1. Introduzione

La progettazione di circuiti integrati digitali complessi richiede un equilibrio tra

tre aspetti fondamentali: il numero di componenti che possono essere inseriti in

uno spazio ristretto, la velocità di elaborazione dei segnali e la quantità di energia

usata. Anche se le architetture moderne contengono miliardi di transistor logici su

un singolo chip, è utile iniziare a comprendere i criteri di ottimizzazione e i limiti

fisici partendo dal componente più semplice, l’inverter in tecnologia CMOS.

L’inverter è il componente di base che inverte un segnale logico. È il fondamento

di strutture più complesse, come le porte logiche, le celle di memoria e i buffer

di clock, per la distribuzione di segnali ad alta frequenza. Capire come funziona

l’inverter offre gli strumenti necessari per prevedere il comportamento di piccoli

blocchi computazionali. Questo include il comportamento statico e dinamico e il

consumo energetico.

Questo studio si concentra sull’analisi dell’inverter CMOS, partendo dalla fisica

dei dispositivi MOSFET che lo compongono. Verrà esaminata la caratteristica di

trasferimento statica per calcolare i margini di rumore e le condizioni di simmetria.

Dopo, si passerà alla modellazione dinamica dei tempi di propagazione e allo studio

dei meccanismi di dissipazione di potenza, evidenziando i limiti causati dalle correnti

di leakage nei processi di fabbricazione più recenti.

2. La Tecnologia CMOS e il transistore MOSFET

La logica CMOS (Complementary MOS) sfrutta le proprietà duali dei transistori a

canale n (nMOS) e a canale p (pMOS) realizzati sullo stesso substrato di silicio. La

complementarietà delle reti di Pull-Up e Pull-Down è il principale motivo per cui

questa tecnologia ha sostituito le logiche a singolo canale (NMOS) o bipolari (TTL).

2.1 Modellazione analitica del transistore MOSFET

Il transistore MOSFET viene modellato, a livello circuitale di primo ordine, come

un dispositivo a tre terminali (tralasciando l’effetto del terminale di bulk, supposto

cortocircuitato al rispettivo source) in cui la tensione applicata al gate controlla la

conducibilità del canale tra drain e source.

Considerando un dispositivo nMOS, le regioni di funzionamento statico principali

sono descritte dalle seguenti equazioni della corrente di drain :

I

D

• (V ):

< V

Interdizione GS T n ≈

I 0

D

• (V e ):

≥ −

V V < V V

Regione Lineare o Triodo GS T n DS GS T n

2

V

W DS

− −

I = µ C (V V )V

GS T n DS

D n ox L 2

• (V e ):

≥ ≥ −

V V V V

Regione di Saturazione GS T n DS GS T n

1 W 2

−

I = µ C (V V ) (1 + λV