We propose a new high speed and low power SOI(Silicon-On-Insulator) inverter circuit with dynamic threshold voltage that can operate with efficient body-bias control and free supply voltage. The performance of the proposed circuit is evaluated extensively by both the BSIM3SOI circuit simulator and the ATLAS device simulator, and then compared with other previously reported SOI circuits. The proposed circuit is shown to have excellent characteristics. At the supply voltage of 1.5V, the proposed circuit operates 27% faster than the conventional SOI circuit with almost the same power dissipation. The use of retrograde doping in the main MOSFETs can further improves the circuit performance.
전력 소모는 공급전압(supply voltage)의 제곱에 비례하기 때문에 공급전압을 줄이는 것이 저전력에 효과적인 방법이다. 그러나 공급전압을 줄임에 따라 문턱전압(threshold voltage)도 같이 줄여야 하는데, 이는 오프(off) 상태의 누설전류(leakage current)의 양 때문에 한계가 있다. 이 문제에 대한 해결책으로 동적 문턱전압(dynamic threshold) 기술이 있다. 로직 천이(logic transition)시에는 낮은 문턱전압을, 오프상태에서는 높은 문턱전압을 가지기 때문에 동적 문턱전압 회로는 저전력으로 빠른 동작이 가능하다
본 논문에서는 효과적인 바디 바이어스(body bias)와 공급전압의 제약없이 동작하는 새로운 고속, 저전력 SOI 인버터를 제안하였다. 주 소자(main MOSFET)의 바디(body)는 보조 소자(subsidiary MOSFET)의 소스(source)에 연결하여 구성한다. 주소자의 바디 전위는 보조 소자를 통해 조절된다. 추가적인 입력 부하(input capacitance) 양을 줄이기 위해 보조 소자는 작게 설계한다.
제안한 회로를 검증하고 다른 회로와 성능을 비교하기 위해 BSIM3SOT 회로 시뮬레이터와 ATLAS 2차원 소자 시뮬레이터를 사용하였다. 공급 전압이 지연 시간과 전력소모에 미치는 영향을 알아보기 위해 7단의 인버터 체인을 시뮬레이션 하였다. 그 결과 제안한 회로는 기존에 발표된 회로보다 우수한 성능을 보였다. 공급전압이 1.5V에서 제안한 회로는 기존의 SOI 회로보다 거의 같은 전력소모로 27% 빠르게 동작하였다. 공급전압이 감소함에 따라 제안한 회로의 속도 향상은 더욱 증가하였다.
회로 성능을 좀더 향상시키기 위해 소자 수준에서의 최적화을 수행하였다. 제안한 회로에 역행 도핑(retrograde doping)을 이용하여 바디저항을 감소시키고 문턱전압 변화를 크게 하여 결국에는 더 많은 성능 향상을 얻었다. 또한, 제안한 회로의 VLSI 적용 가능성을 알아보기 위해 새로운 NAND 게이트를 제안하였고 성능 분석 결과 기존의 회로보다 뛰어난 성능을 보였다.
결론적으로 제안한 회로는 고속, 저전력 회로 응용에 대해 우수한 성능을 보였다. 또한 제안한 회로는 저전력 회로 응용의 하나로서 일반적인 CMOS 논리 회로로의 확장 적용이 기대된다.
