Leakage current modeling in sub-micrometer CMOS complex gates

Abstract

Para manter o desempenho a uma tensão de alimentação reduzida, a tensão de threshold e as dimensões dos transistores têm sido reduzidas por décadas. A miniaturização do transistor para tecnologias sub-100nm resulta em um expressivo incremento nas correntes de fuga, tornando-as parte significativa da potencia total, alcançando em muitos casos 30-50% de toda a potencia dissipada em condições normais de operação. Por estas condições, correntes estáticas em células CMOS representam um importante desafio em tecnologias nanométricas, tornando-se um fator crítico no design de circuitos de baixa potência. Isto significa que dissipação de potência estática deve ser considerada o quanto antes no fluxo de projetos de circuitos integrados. Esta tese revisa os principais mecanismos de fuga e algumas técnicas de redução. Também é apresentado um modelo de estimativa rápida da corrente de subthreshold em células lógicas CMOS série - paralelo. Este método é baseado em associações de condutividade elétrica série – paralelo de transistores. Ao combinar com o modelo de estimativa da corrente de fuga de gate baseada nas condições estáticas dos transistores é possível fornecer uma melhor predição da corrente de fuga total em redes de transistores. O modelo de estimativa anterior é rápido porem seu foco não esta na precisão. Um novo e preciso modelo para corrente de fuga de subthreshold e de gate é também apresentado baseado em modelos analíticos simplificados das correntes de fuga. Ao contrario do modelo anterior que era destinado a redes de transistores serie – paralelo, o novo método avalia as correntes de fuga em rede de transistores complexas. A presença de transistores conduzindo em redes de transistores não conduzindo, ignorados em trabalhos anteriores, é também avaliado no trabalho proposto. O novo modelo de corrente de fuga foi validado através de simulações elétricas, considerando processos CMOS 130nm e 90nm, com boa correlação dos resultados, demonstrando a precisão do modelo.

To maintain performance at reduced power supply voltage, transistor threshold voltages and dimensions have been scaled down for decades. Scaling transistor into the sub-100nm technologies has resulted in a dramatic increase in leakage currents, which have become a significant portion of the total power consumption in scaled technologies, in many case achieving 30-50% of the overall power consumption under nominal operating conditions. For this condition, standby currents in CMOS logic gates represent an important challenge in nanometer technologies, leakage dissipation being a critical factor in low-power design. It means the static power dissipation should be considered as soon as possible in the integrated circuit design flow. This thesis reviews the major leakage current mechanisms and several reduction techniques. It presents the development of a straightforward method for very fast estimation of subthreshold current in CMOS series-parallel logic gates. This estimation method is based on electrical conductivity association of series-parallel transistor arrangements. Combined with a gate oxide leakage model based on transistor bias condition, it is possible to provide a better prediction of total leakage consumption in transistor networks. The previous estimation method is fast but it is not focused on accuracy. A new accurate subthreshold and gate leakage current estimation method is also developed based on simplified analytical leakage currents models. Instead of previous works focused on series-parallel device arrangements, this method evaluates the leakage in general transistor networks. The presence of on-switches in off-networks, ignored by previous works, is also considered in the proposed static current analysis. The new leakage model has been validated through electrical simulations, taking into account a 130nm and 90nm CMOS technology, with good correlation of the results, demonstrating the model accuracy.