Hello, if you have any need, please feel free to consult us, this is my wechat: wx91due

Homework 1 on Electronic Devices in Silicon CMOS ICs

in the module

EEE201 CMOS Digital Integrated Circuits

(2024/2025)

1. In the MOS transistors of a digital integrated circuits (ICs), the drain diffusion region has an n- type doping of 1018  cm-3 on a silicon substrate with the p-type doping of 1016  cm-3.

(a). What is the approximate intrinsic carrier concentration in silicon at room temperature (T = 300 K)? Hence or otherwise, calculate the built-in potential Vbi of the p-n junction between the p-type substrate and the n-type drain region at room temperature.

(b). Using the result in (a) or otherwise, calculate the depletion width of the p-n junction when both the drain and the substrate are not connected to any voltage (i.e. zero-biased).

(c).  Using Matlab or Excel,  plot  a  graph  of  the depletion width when  the  substrate  is connected to ground and the drain voltage VDS increases from 0 V to +3.0 V.

(d). If the drain region of the MOSFET has a total area of 40 μm × 0.6 μm, using the result in (b) or  otherwise,  calculate the depletion  capacitance of the  drain terminal  in the  open-   circuit condition. Assume the sidewall contribution to the depletion capacitance negligible.

(e).  If the  depth  of  the  drain  region  is  0.15  μm,  calculate  the  sidewall  contribution  to  the depletion capacitance in the open-circuit condition (i.e. zero-biased) (Hint: What is the perimeter of the drain region?).

(f).  Using Matlab or Excel, plot a graph of the total depletion capacitance (with the sidewall contribution included) when the substrate is connected to ground and the drain voltage VDS increases from 0 V to +3.0 V.

Assume an abrupt junction (i.e. abrupt metallurgical boundary in the p-n junction) in all the calculations.  Please  find  out  the  physical  constants  (e.g.  Boltzmann’s  constant kB)  from textbooks or reliable websites on the internet.

2. The MOS transistors of the same digital integrated circuits (ICs) described in Question 1 has a gate oxide thickness tox of 30 Å (i.e. 3.0 nm) and an effective channel length L = 0.15 μm.

(a). Calculate the normalised gate oxide capacitance Cox of the MOS transistors. Assume the gate oxide is made of high quality silicon dioxide (SiO2).

(b). Determine  the  gate-to-source  capacitance CGS of  the  MOS  transistor  operating  in  the saturation region. Note that the MOSFET has W = 40 μm and L = 0.15 μm.

(c).  Determine the gate-to-drain capacitance CGD of the MOS transistor if it operates in the linear mode. How does the value of CGD compare with the depletion capacitance of the drain-to-substrate junction?

(d). It is given the electron mobility for the MOS transistors is 370 cm2/Vs and the threshold voltage VT of  the n-channel  MOS  transistors  is  0.45  V.  Assuming  the  long-channel approximation, using Matlab or Excel, plot a graph of the output characteristics (i.e. IDS vs. VDS) of a MOS transistor with a channel width W = 40 μm and L = 0.15 μm for VGS = 0.7 V, 1.0 V, 1.5 V and 2.0 V while VDS varies from 0 V to 2.5 V.

(e). With the same parameters and the long-channel approximation, using Matlab or Excel, plot a graph of the transfer characteristics (i.e. IDS vs. VGS) of a MOS transistor of the same size W/L = 40 μm/0.15 μm for VDS = 0.2 V, 1.0 V, 2.0 V while VGS varies from 0 V to 2.0 V. Assume the current is zero when VGS is below the threshold voltage VT.

(f).  If hafnium oxide (HfO2) with a dielectric constant of 25 is used to replace the silicon dioxide (SiO2) as the gate dielectric, what would be the gate oxide thickness tHfO to keep same the normalised gate oxide capacitance Cox as that obtained in Q2(a)?

Note: In all the calculations, please show your steps clearly. When you find the values of some material  parameters  or  physical  constants  (not  provided  in  the  questions),  please  cite  the source(s) explicitly as a footnote or include a section of references at the end.