I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m pu t er   E ng ineering   ( I J E CE )   Vo l.   15 ,   No .   6 ,  Decem b er   20 25 ,   p p .   5 1 9 3 ~ 5 2 0 4   I SS N:  2088 - 8 7 0 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijece. v 15 i 6 . pp 5 1 9 3 - 5 2 0 4           5193       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   Lo w - po wer and  r educed  dela y  in  i nv erte r and  unive rsa l log ic  g a tes using  H v t - F inFET te chno lo g y       Vee ra pp a   Chik k a g o ud a r 1 ,   G .   I nd um a t hi 2   1 D e p a r t me n t   o f   El e c t r o n i c s a n d   C o m mu n i c a t i o n   E n g i n e e r i n g ,   V i s v e s v a r a y a   Te c h n o l o g i c a l   U n i v e r si t y ,   B e l a g a v i ,   K a r n a t a k a ,   C a m b r i d g e   I n st i t u t e   o f   Te c h n o l o g y ,   K . R   P u r a m,  B e n g a l u r u ,   I n d i a   2 D e p a r t me n t   o f   El e c t r o n i c s a n d   C o m mu n i c a t i o n   E n g i n e e r i n g ,   C a m b r i d g e   I n st i t u t e   o f   T e c h n o l o g y ,   K . R   P u r a m,   B e n g a l u r u ,   I n d i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ma y   2 3 ,   2 0 2 5   R ev is ed   J u l 1 2 ,   2 0 2 5   Acc ep ted   Sep   1 4 ,   2 0 2 5       Th e   ra p i d   sc a li n g   o f   c o n v e n ti o n a l  c o m p lem e n tary   m e tal – o x id e – se m ico n d u c to r  (C M OS)  m e tal – o x id e – se m ico n d u c t o r  field - e ffe c t  t ra n sisto rs   (M OSF ET s)  led   to   si g n ifi c a n tl y   in c re a sin g   p o we r  d issi p a ti o n ,   d e lay ,   a n d   sh o rt  c h a n n e l  e ffe c ts  (S CEs).   F in   field - e ffe c t  tran sisto r  (F i n F ET )  t e c h n o l o g y   is  a   b e tt e r  a lt e rn a ti v e   t o   M OS F E Ts  with   s u p e ri o r  e lec tro sta ti c   c o n tro l ,   l o w   p o we r,   a n d   re d u c e d   lea k a g e   c u r re n t.   F in F ET s  h a v e   b e e n   c h o se n   fo r   th e ir   e fficie n c y   in   o v e rc o m in g   t h e se   issu e s.  Th is  wo rk   fo c u se s  o n   th e   d e sig n   o f   h ig h - th re sh o l d   v o lt a g e   fi n   fiel d - e ffe c t  tran sisto r  (Hv t - F in F ET )  1 8   n m   tec h n o l o g y - b a se d   in v e rter  wit h   o p ti m ize d   p a ra m e ters   a n d   imp lem e n ti n g   u n i v e rsa l  g a tes   NA ND   a n d   NO R  in   Ca d e n c e   Virtu o so   t o o l .   T h e se   th re e   g a tes   a re   b a sic   b u il d in g   b l o c k s  f o r  a n y   c o m p lex   d ig it a l  sy ste m   d e sig n .   T h e   re su lt s  d e m o n stra te  si g n ifi c a n t   imp ro v e m e n t  i n   p o we r  a n d   re d u c e d   p ro p a g a ti o n   d e lay   i n   c o m p a riso n   with   c o n v e n ti o n a l  CM OS  tec h n o l o g y .   Th e   Hv t - F in F ET   in v e rter  o b tain e d   p o we r  d issip a ti o n   a n d   d e lay   re d u c ti o n   o f   1 3 . 6 3 %   a n d   3 3 . 3 3 % ,   re sp e c ti v e ly .   P o we r  a n d   d e lay   o p ti m iza ti o n   o f  2 9 . 1 0 %   a n d   1 1 . 8 %   h a v e   b e e n   o b tai n e d   i n   th e   NA ND   g a te  a n d   3 1 . 2 8 %   a n d   2 9 . 0 8 %   in   th e   NO R  g a te  wh e n   c o m p a re d   to   c o n v e n t io n a l  CM OS  c ircu it s .   T h e   re s u lt s   d e m o n s tra te   s i g n i fi c a n t   im p r o v e m e n ts   in   p o we r   sa v i n g s ,   re d u c e d   p r o p a g a ti o n   d e la y ,   a n d   s u p e r i o r   e n e r g y   e f fic ie n c y ,   v a l i d a ti n g   t h e   e ffe c ti v e n e s s  o f     Hv t - F i n F ET   tec h n o l o g y   f o r   n e x t - g e n e r a t i o n   v e r y   lar g e   sc a l e   in te g ra t i o n   (VL S I )   a p p l ica t i o n s .   K ey w o r d s :   C o m p lem en tar y   m etal – o x id e – s em ico n d u cto r     Hv t - Fin FET   I n v er ter   MO SF E T   Sh o r t c h an n el  ef f ec t    Ver y   lar g e  s ca le  in teg r atio n   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Vee r ap p a  C h ik k a g o u d ar     Dep ar tm en t o f   E lectr o n ics an d   C o m m u n icatio n   E n g in ee r i n g ,   Vis v esv ar ay a  T ec h n o lo g ical  Un iv er s ity ,   B elag av i,  C am b r id g e  I n s titu te  o f   T ec h n o lo g y ,   K. R   Pu r am   B en g alu r u   –   5 6 0 0 3 6 ,   I n d ia    E m ail:  v ee r ap p a. ec e@ ca m b r i d g e. ed u . in       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e  r ap id   s ca lin g   o f   co m p le m en tar y   m etal – o x id e – s em ico n d u cto r   ( C MO S)   p r o ce s s in g   tech n o lo g y   h as  led   t o   s ig n if ica n t  ch allen g es,  p ar ticu lar ly   in   m itig atin g   s h o r t  c h an n el   ef f ec ts   ( SC E s ) ,   p o wer   leak a g e,   a n d   r ed u ce d   d r iv e  s tr en g th .   Fin   f ield - ef f ec t  tr an s is to r   ( Fin FET )   d ev ice  is   em er g in g   alter n ati v e  to   co n v e n tio n al   co m p lem en tar y   co m p lem en ta r y   m etal – o x id e – s em ico n d u ct o r   f ield - e f f ec t  tr an s is to r s   ( M OSFET s ) ,   o f f er in g   b etter   g ate  co n tr o l  an d   im p r o v ed   o v e r all  p er f o r m an ce .   A s   d em an d   f o r   lo w - p o wer   an d   r ed u ce d   d elay s   in   d ig ital  s y s tem s   g r o ws,  th er e  is   a  n ee d   to   u s e  Fin FET - b ased   c ir cu it  d esig n s   th at  en h an ce   p o wer   ef f icien cy   an d   r ed u ce d   d elay   in   v er y   lar g e  s c ale  in teg r atio n   ( VL SI)   cir cu its .     T h e  ex is tin g   s tu d ies  in d icate   th at  d u e  to   co n s tan t  s ca lin g ,   th e  co m p lem en tar y   MO SF E T   ( C MO S)   cir cu its   s u f f er   f r o m   ex ce s s iv e  leak ag e   cu r r en ts   an d   s h o r t  ch a n n el  e f f ec ts   lead in g   to   in cr ea s ed   p o wer   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   6 ,  Decem b e r   20 25 :   5 1 9 3 - 5 2 0 4   5194   d is s ip atio n   [ 1 ] .   E x is tin g   r esear ch   o n   Fin FET - b ased   cir cu its   h as  h ig h lig h ted   v ar io u s   lim ita tio n s   an d   g ap s   t h at   n ee d   to   b e  a d d r ess ed   [ 2 ] .   A d d itio n ally ,   Fin FET ’ s ,   d esp ite  th eir   s u p er io r   elec tr o s tatic  co n tr o l,  f ac e  c h allen g es   s u ch   as  in cr ea s ed   co n tact  r esis tan ce   at  s u b - 1 0 n m   n o d es,  wh i ch   af f ec ts   p er f o r m a n ce   [ 3 ] ,   [ 4 ] .   Stu d ies  h av e  als o   s tated   th at  in d ep e n d en t - g ate   Fin FET   ar ch itectu r es  r ed u c e  p o wer   co n s u m p tio n   b u t  at   th e  co s t  o f   m o r e   p r o p a g atio n   d elay   [ 5 ] .   Fu r th e r ,   co n v e n tio n al  Fin FET ’ s   s tr u g g le  with   m an u f ac tu r a b ilit y   is s u es  d u e  to   h ig h   p r o ce s s   v ar iatio n ,   m ak in g   th ei r   lar g e - s ca le  ad o p tio n   c h allen g in g   [ 6 ] .   T h ese  r esear ch   ch all en g es  h ig h lig h t  th e  n ee d   f o r   o p tim ized   h ig h - th r es h o ld   v o ltag e   f in   f ield - ef f ec t  t r an s is to r   ( h v t - Fin FET )   b ased   lo g ic  d esig n s   t h at  r ed u ce   p o wer ,   d elay ,   an d   s ca lab ilit y   co m p ar e d   with   co n v en ti o n al  co m p lem en tar y   MO SF E T ’ s .   R esear ch   h as  s h o wn   th at  b y   o p tim izin g   d ev ice  p a r am eter s   lik e  f in - h eig h t,  f in - wid th ,   an d   h ig h er - k  g ate  d ielec tr ic  m ater ial,   Fin F E T ’ s   ac h iev e  b etter   co n tr o l  o v er   th r esh o ld   v o ltag e  v ar iatio n s ,   r ed u cin g   leak ag e   p o wer   an d   im p r o v i n g   s witch in g   p er f o r m an c e.   I t  h as  b ee n   o b s er v ed   th at  th e  s ig n if ican t  co n tr o l  o v er   g ate  an d   h ig h er   I o n /I o f f   r atio   an d   im p r o v ed   s u b t h r esh o ld   s lo p e  [ 7 ] – [ 1 2 ] .  Fin FET - b ased   C MO S  in v er ter s   ac h iev e  a   m ax im u m   v o ltag e  g ain ,   c o n f ir m in g   th eir   s u itab ilit y   f o r   h ig h - s p ee d   a n d   lo w   p o w er   s em ico n d u cto r   ap p licatio n s   [ 1 3 ] ,   [ 1 4 ] .   I n   d i g ital  lo g ic  d esig n ,   Fin FET   b ased   NAND   an d   NOR  g ates  h av e  d em o n s tr ated   b etter   im p r o v em e n ts   in   p o wer   r ed u cti o n   a n d   d elay   r ed u ctio n   co m p ar ed   to   co n v en tio n al   C MO S  lo g ic  g ates.  B etter   elec tr o s tatic   co n tr o l  o f   Fin FET s   m in im izes  leak ag e  cu r r en t,  en h an cin g   m e m o r y   s tab ilit y   an d   ef f icien cy   [ 1 5 ] – [ 1 8 ] .   L o w - th r esh o ld   v o ltag e   ( L VT )   Fin FET   an d   lo w - p o wer   s tack ed   ( L PS )   Fin FET   d o m in o   d esig n   r ed u ce s   s tan d b y   p o wer   b y   6 3 . 3 %  an d   im p r o v es  p o wer – d elay   p r o d u ct  ( PDP)   b y   8 1 . 9 7 %  f o r   8 - in p u t   OR   g ates,  m ak in g   it  a  s u itab le  o p tio n   f o r   en e r g y - ef f icien t  V L SI  im p lem en tatio n s   [ 1 9 ] – [ 2 1 ] .   T h e  in tr o d u ctio n   o f   a  s elec tiv e  ep itax ial  p r o ce s s   f o r   m er g in g   in d iv id u al  f in s   en h an ce s   s er ies  r esis tan ce   r ed u ctio n ,   im p r o v in g   Fin FET   s ca lab ilit y   f o r   f u tu r e  tech n o lo g y   n o d es  [ 2 2 ] – [ 2 5 ] .   Ov er all  liter atu r e  r ev iew   tells   th at  Fin FET   tech n o lo g y   is   a  n ee d   o f   h o u r   f o r   ad v a n ce d   s em ico n d u cter   b ased   d esig n   co m p ar e d   to   p lan ar   C MO S  wi th   r esp ec t to   h ig h   p er f o r m an ce ,   l o w  p o wer   a n d   ar ea   [ 2 6 ] – [ 3 4 ] .    T h is   r esear ch   wo r k   f o c u s es  o n   d esig n in g   o f   a  Fin FET - b ased   in v er ter   u s in g   a  h i g h - th r esh o l d   v o ltag e   ( HVT )   1 8   n m   n o d e  Fin FET   wh ich   ac ts   as  a   b asic  b u ild in g   b lo ck   f o r   f u r th er   d esig n   o f   lo g ical  an d   ar ith m etic   cir cu its .   T h e  o b jectiv e  is   to   co n s tr u ct  u n iv e r s al  lo g ic  g ates  u s in g   Fin FET   b ased   in v er ter ,   an d   co m p ar e  th ei r   p er f o r m an ce   with   co n v e n tio n al  C MO S  cir cu its .   T h e  s tu d y   aim s   to   an aly ze   cr itical  p er f o r m an ce   p ar am eter s   s u ch   as  p o wer   d is s ip atio n ,   p r o p ag atio n   d elay   b y   tak in g   ad v a n tag e  o f   Fin FET   tec h n o lo g y   f o r   en er g y - e f f icien t   d ig ital  s y s tem   d esig n .   T h e  ex p ec ted   o u tco m e  o f   th is   wo r k   in clu d es  a  co m p r e h en s iv e  p er f o r m an ce   ev alu atio n   o f   Fin FET - b ased   lo g ic  g ates ,   d em o n s tr atin g   im p r o v e m en t s   o v er   co n v e n tio n al  co m p lem en tar y   MO SF E T   cir cu its .   T h is   wo r k   aim s   to   estab lis h   Hv t - Fin FET   tech n o lo g y   as  a  v iab le  alter n ativ e  f o r   n e x t - g en er atio n   lo w - p o wer   d ig ital c ir c u its .       T h is   wo r k   is   d etailed   as  f o llo ws:   Sectio n   1  in tr o d u ctio n ,   d i s cu s s es  m o tiv atio n   f o r   th e  s el ec tio n   o f   p r o b lem   s tatem en t  with   r elate d   wo r k ,   h ig h li g h tin g   p r io r   r esear ch   o n   Fin FET   ap p licatio n s .   Sectio n   2  m eth o d ,  d etails  th e  m eth o d o lo g y ,   in clu d in g   th e   Hv t - Fin FET   in v e r ter ,   NAND   an d   NOR  g ate  d esig n s .   Sectio n   3  r esu lts   an d   d is cu s s io n ,   d etails  s im u latio n   r esu lts   an d   p er f o r m a n ce   an aly s is ,   s ec tio n   4  co n cl u s io n   an d   f u r th er   en h an ce m e n t  co n clu s io n   o f   t h e  wo r k   an d   f u t u r e  r esear c h .       2.   M E T H O D   Hv t - Fin FET   d ev ices,  b ased   o n   1 8   n m   tech n o lo g y ,   f ea tu r e  a  f in - s h ap e d   s tr u ctu r e  an d   h ig h - k  d ielec tr ic  to   en h an ce   g ate  c o n tr o l  an d   r ed u ce   leak ag e.   Simu latio n   s etu p   in clu d es  s ch em atic  d esig n   with   Hv t - Fin FET   d ev ice  with   o p tim ize d   p ar a m eter s   ca lcu lated   f r o m   m ath em atica l  m o d el,   test b en c h ,   an d   wav e f o r m s   in   ca d en ce   v ir tu o s o   to o l.  T h eir   u s e  in   in v er ter ,   NAND ,   an d   NOR g ate  d esig n s   lead   to   lo wer   p o wer   co n s u m p tio n ,   r ed u ce d   p r o p ag atio n   d elay ,   a n d   b etter   s u itab ilit y   f o r   ad v a n ce d   VL SI  ap p licatio n s .     2 . 1 .   Dev ice   s t ruct ure  a nd   pa ra m et er s   T h e  m ajo r   g eo m etr ic   p ar a m eter s   o f   th is   Fin FET   as   s h o wn   in i  T ab le   1   in clu d e   a   f in   wid th   o f   8   n m ,   a   f in   h eig h t  o f   2 0   n m ,   an d   a  g at e  wid th   o f   2 0   n m ,   with   a  s u p p ly   v o ltag e  V DD   o f   0 . 9   V  to   en s u r e  r ed u ce d   p o wer   d is s ip atio n   an d   h ig h - s p ee d   o p er atio n .   Fu r th er ,   t h e  d ev ice  in co r p o r ates  a  lo ad   ca p ac itan ce   C L   o f   1 . 0 f F,  wh ich   p lay s   a  cr itical  p ar t in   d eter m i n in g   d ela y   an d   p o wer   c o n s u m p tio n .     2 . 2 .   F inFE T   elec t rica l c ha ra ct er is t ics   2 . 2 . 1 .   N - c ha nn el  F inFE T     T h e  elec tr ical  ch ar ac ter is tics   o f   th e  n - ch an n el  Hv t - Fin FET   is   an aly ze d   b y   its   d r ain   an d   tr an s f er   ch ar ac ter is tics .   T h e  ch a r ac ter i s tics   f r o m   Fig u r e s   1 ( a)   to   ( c)   p r o v id e   in f o r m atio n   ab o u t  d r a in   cu r r en t  v ar iatio n   with   b ias  v o ltag es,  th r esh o l d   v o ltag e   v ar iatio n ,   an d   o v er all  d ev ice  p er f o r m an ce   u n d er   d if f er en t  b ias  co n d itio n s .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Lo w - p o w er a n d   r ed u ce d   d el a y  in   in ve r ter a n d   u n ivers a l lo g ic   …   ( V ee r a p p a   C h ikka g o u d a r )   5195   T ab le  1 .   Geo m etr ic  a n d   o p er at in g   p ar am ete r s   o f   th e  1 8   n m   H v t - Fin FET   P a r a me t e r   V a l u e   F i n   h e i g h t   ( H fi n )   20   nm   F i n   w i d t h   ( W fi n )   8   nm   O x i d e   t h i c k n e ss   ( t ox )   1 . 5   nm   S u p p l y   v o l t a g e   ( V DD )   0 . 9   V   G a t e   w i d t h   ( W ga t e )   20   nm   Lo a d   c a p a c i t a n c e   ( C L )   1 . 0   fF         ( a)         ( b )         ( c)     Fig u r e  1 .   D r ain   cu r r e n t v ar iati o n   ( a)   s ch e m atic  f o r   N  c h an n e l H v t - Fin FET   d r ain   an d   tr an s f er   ch ar ac ter is tics ,   ( b )   I d   v s   V ds   f o r   v ar io u s   V gs ,  an d   ( c)   I d   v s   V gs       2 . 2 . 2 .   P - c ha nn el  F inFE T     T h e  p - c h an n el  Hv t - Fin FET   e x h ib its   co m p lem e n tar y   b eh a v i o r   to   its   n - ch a n n el  c o u n ter p ar t   as  s h o wn   in   Fig u r e s   2 ( a)   to   ( c) ,   cr u cial  f o r   d esig n in g   ef f icien t  C MO S  lo g ic  cir cu its .   T h e  d r ain   an d   tr a n s f er   ch ar ac ter is tics   p r o v id e  in f o r m atio n   ab o u t  p er f o r m an ce   p ar a m eter s   s u ch   as  m o b ilit y   µ,   th r esh o ld   v o lta g e  Vt,   an d   leak ag e   cu r r e n t.     2 . 3 .   Fi n FET   inv er t er   des ig n   T h e  Fin FET   in v er ter   co n s is ts   o f   a  h ig h - th r esh o ld   v o ltag e   ( Hv t)   PMOS  an d   NM OS  Fin FET   in   a   co m p lem en tar y   s tr u ctu r e,   d e s ig n ed   to   ac h iev e  en h an ce d   g ate  co n tr o l,  lo w  leak ag e  cu r r en t  an d   b etter   s witch in g   p er f o r m an ce   c o m p a r ed   to   tr a d itio n al  C MO S  in v er ter s   is   as  s h o wn   in   Fig u r e  3 .   Fro m   a  p er f o r m an ce   p er s p ec tiv e,   Hv t - Fin FET   in v e r ter   d em o n s tr ates  a  h ig h er   I on /I off   r atio   co m p ar ed   to   tr ad itio n al  C MO S  in v er ter s .   Fu r th er ,   p r o p a g atio n   d ela y ( τ )   p lay s   an   im p o r tan t  r o le  i n   d eter m in in g   s p ee d   o f   d ig ital  lo g ic  cir cu its .     Id ( µ A )   Id ( µ A )   V d s ( v )   V g s ( v )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   6 ,  Decem b e r   20 25 :   5 1 9 3 - 5 2 0 4   5196   Hv t - Fin FET   in v er ter   d is p lay s   a  p r o p a g atio n   d ela y   o f   2 5   p s ,   wh ich   is   th r ee   tim es  less   th an   th e  7 5   p s   d elay   o b s er v ed   in   tr ad itio n al  4 5   n m   C MO S  in v er ter s .   T h is   r ed u ctio n   in   d elay   d ir ec tly   co n tr ib u t es  to   f aster   s ig n al   tr an s itio n s ,   en h an cin g   th e  o v er all  s p ee d   o f   d i g ital c ir cu its .         ( a)           ( b )         ( c)     Fig u r e  2 .   T h e  p - c h an n el  H v t - Fin FET   ex h ib its   co m p lem e n tar y   b eh a v io r   to   its   n - c h an n el  c o u n ter p ar t :   ( a)   s ch em atic  f o r   P  c h an n el  H v t - Fin FET   ( b )   I d   v s   Vd s   f o r   v ar io u s   Vg s   ( c)   I d   v s   Vg s   d r ain   an d   tr an s f e r   ch ar ac ter is tics           Fig u r e  3 .   Sch em atic  o f   th e  Fin FET   i n v er ter   Id ( µ A )   V d s( v )   Id ( µ A )   V g s( v )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Lo w - p o w er a n d   r ed u ce d   d el a y  in   in ve r ter a n d   u n ivers a l lo g ic   …   ( V ee r a p p a   C h ikka g o u d a r )   5197   2 . 4 .   NAND   a nd   NO R  g a t e   des ig n us i ng   H v t - F inFE T   T h e  d esig n   o f   NAND   an d   N OR   g ates  u s e  th e  ad v an tag es  o f   h ig h - th r esh o l d   v o ltag e  H v t - Fin FET   tech n o lo g y   to   im p r o v e   s witch in g   p er f o r m a n ce ,   m in im ize   leak ag e  cu r r en ts ,   an d   r ed u ce   p o w er   d is s ip atio n .       2 . 4 . 1 .  F inFE T   NAND   g a t e  des ig n   T h e  Hv t - Fin FET   b ased   NAND   g ate  co m p r is es  two   s er ies - co n n ec ted   n Fin FET ’ s   in   th e  p u ll - d o wn   n etwo r k   a n d   2   p a r allel - co n n e cted   p Fin FET ’ s   in   th e   p u ll  u p   n etwo r k   as  s h o wn   in   Fig u r e  4 .   Ou t p u t  is   f alse   o n ly   wh en   b o t h   in p u ts   ar e  tr u e ; o th er wis e,   it r em ain s   tr u e,   en s u r in g   m in im al  s tatic  p o wer   d is s ip atio n .   T h e  k ey   p ar am eter s   wh ich   af f ec t e lectr ical  ch ar ac ter is tics   o f   Hv t - Fin FET   b ased   NAND   g ate  ar e  p r esen ted   in   T ab le  2 .           Fig u r e  4 .   Sch em atic  o f   th e  Fin FET   NAND   g ate       T ab le  2 .   E lectr ical  p a r am eter s   o f   th e  Fin FET   NAND   g ate   P a r a me t e r   V a l u e   S u p p l y   v o l t a g e   (V DD )   1 . 2   V   Th r e s h o l d   v o l t a g e   (V th )   0 . 5   V   S u b t h r e sh o l d   sl o p e   (S)   6 0   mV / d e c a d e   Ef f e c t i v e   w i d t h   (W e ff )   80   nm   C h a n n e l   l e n g t h   ( L)   18   nm   Lo a d   c a p a c i t a n c e   (C L )   10   fF       2 . 4 . 2 .   F inFE T   NO R  g a t e  des ig n   T h e  Hv t - Fin FET   b ased   NOR is   as sh o wn   in   Fig u r e  5 .   T h e  o u tp u t r em ain s   lo g ic  lev el  h ig h   o n ly   wh en   all  in p u ts   ar e  lo g ic  lev el  lo w;  o th er wis e,   it  r em ain s   lo g ic  lo w  v alu e( f alse) .   T h is   co m p lem en tar y   ar r an g em en t   r esu lts   in   r ed u ce d   s tatic  p o wer   co n s u m p tio n .   T h e  k ey   p ar a m eter s   wh ich   af f ec t  th e   elec tr ical  ch ar ac ter is tics   o f   Hv t - Fin FET   b ased   NOR g ate  ar e  p r esen ted   in   T ab le  3 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   6 ,  Decem b e r   20 25 :   5 1 9 3 - 5 2 0 4   5198       Fig u r e  5 .   Sch em atic  o f   th e  Fin FET   NOR  g ate       T ab le  3 .   E lectr ical  p a r am eter s   o f   th e  Fin FET   NOR g ate   P a r a me t e r   V a l u e   S u p p l y   v o l t a g e   ( V DD )   1 . 0   V   Lo a d   c a p a c i t a n c e   ( C L )   1   pF   A c t i v i t y   f a c t o r   ( α)   0 . 2   O p e r a t i n g   f r e q u e n c y   ( f )   1 0 0   M H z   To t a l   r e si s t a n c e   ( R t ot a l )   5 0 0   Ω   I n t e r n a l   c a p a c i t a n c e   3   pF       2 . 5 .   M a t hema t ica l  m o del f o r  po wer   a nd   dela y   a na ly s is   T h is   s ec tio n   p r esen ts   an   in - d ep th   an aly s is   o f   p o wer   an d   d el ay   ch ar ac ter is tics   f o r   th e  h ig h - th r esh o ld   v o ltag e  ( Hv t)   Fin FET   b ased   i n v er ter ,   NAND ,   an d   NOR g ate s   at  th e  1 8   n m   tech n o l o g y   n o d e.     2 . 5 . 1 .  P r o pa g a t i o n  dela y   a na ly s is   Pro p ag atio n   d elay   is   in f lu en c ed   b y   th r ee   k ey   p ar am ete r s :  lo ad   ca p ac itan ce   ( C L ) ,   wh ic h   d eter m in es   th e  ch ar g e  r e q u ir ed   f o r   s tate  s witch in g ;  s u p p ly   v o ltag e   ( VDD) ,   wh ich   g o v er n s   p o wer   d eliv er y ;   an d   ON   cu r r en t  ( I o n ) ,   wh er e  a   h ig h er   I o n   lea d s   to   f aster   s witch in g   an d   r ed u ce d   d elay .   M ath em atica lly ,   th e   p r o p a g atio n   d ela y   is   ex p r ess ed   as:     τ = C L ×   V D D I on     ( 1 )     wh er e  τ =  Pro p ag atio n   d elay ,   C L =T o tal  lo ad   ca p ac itan ce ,   I on = ON  cu r r en t.   Fo r   Hig h - th r esh o ld   v o ltag e  Fi n FET   b ased   in v er ter ,   th e  d esi g n   p a r am eter s   in clu d e   a  lo a d   ca p ac itan ce   o f   1 . 0   f F,  a  s u p p ly   v o ltag e  o f   0 . 9   V,   a n d   a n   ON  cu r r en t  o f   2 . 9 4   μ A.   Su b s titu tin g   th ese  v alu es  in to   th e   eq u atio n :     τ = ( 1 . 0 × 10 − 15 F ) × ( 0 . 9V ) 2 . 94 × 10 − 6 A = 25ps            Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Lo w - p o w er a n d   r ed u ce d   d el a y  in   in ve r ter a n d   u n ivers a l lo g ic   …   ( V ee r a p p a   C h ikka g o u d a r )   5199   2 . 5 . 2 .   P o wer   co ns um ptio n a n a ly s is   Dy n am ic  p o wer   ca lcu lated   u s i n g   th e  f o llo win g   e q u atio n :      = × ×  2 ×   ( 2 )     wh er ea s   α   is   th e  s witch in g   ac tiv ity   f ac to r   n o r m ally   0 . 2   f o r   in v er ter s ,   C L   is   1 . 0   f F,  VDD  is   0 . 9   V,   an d   f   is   1 . 0   GHz .   Su b s titu tin g   th ese  v alu e s :     P d y n am i c = ( 0 . 2 ) × ( 1 . 0 × 10 − 15 F ) × ( 0 . 9V ) 2 × ( 1 . 0 × 10 9 Hz )   = 0 . 35μ W .     Static p o wer   d is s ip atio n   is   ca lcu lated   as:     P s t at i c = I o f f × VDD        ( 3 )     Fo r   th e  HVT   Fin FET   in v er ter ,   wh er e  th e  o f f - s tate  leak ag e  cu r r en t  ( I o f f )   is   1 0 0   n A  an d   VDD  is   0 . 9   V,   th e   s tatic  p o wer   d is s ip atio n   is :     P s t at i c = ( 100 × 10 − 9 A ) × ( 0 . 9V ) = 0 . 1μ W         2 . 5 . 3 .  Hvt - F inFE T   NAND   g a t e  a na ly s is   I n   th is   d esig n   o f   Hig h - th r e s h o ld   v o ltag e   Fin FET   b ased   NAND   g ate,   th e  o p tim iz ed   d esig n   p ar am eter s   u s ed   ar e,   s u p p l y   v o ltag e  o f   1 . 2   V,   a  lo a d   ca p ac it an ce   o f   1 0   f F,  an d   an   ON  c u r r en t  o f   2 . 9 4   μ A.   T h e   p r o p a g atio n   d ela y   ( τ )   is   d eter m in ed   u s in g   t h e  eq u atio n   ( 1 ) :     =  ×    = ( 1 . 0 × 10 − 15 ) × ( 1 . 2 ) 2 . 94 × 10 − 6 =   4 . 08         = ×  ×  2 ×   =  0 . 2 × ( 1 . 0 × 10 − 15 ) × ( 1 . 2 ) 2 × ( 1 × 10 9  )   = 2 . 89       =  ×  = ( 100 × 10 − 9 ) × ( 1 . 2 ) = 120      2 . 5 . 4 .  Hvt - F inFE T   NO R  g a t e  a na ly s is   Fo r   th e  Hv t - Fin FET   NOR  g ate,   th e  p r o p ag atio n   d elay   is   ca lcu lated   u s in g   th e  E lm o r e  d el ay   m o d el,   g iv en   b y :     t d el ay = 0 . 69 × R t o t al × C t o t al = ( 0 . 69 ) × ( 500Ω ) × ( 4 × 10 − 12 F ) = 1 . 38μ s     P d y n am i c = α × C l o ad × VDD 2 × f   =  ( 0 . 2 ) × ( 4 × 10 − 12 F ) × ( 1 . 2V ) 2 × ( 1 × 10 9 Hz ) = 20mW .    = l e a k a ge ×     = ( 133 . 42 × 10 − 9 A ) × ( 1 . 2V ) = 160 . 10n W .     ( 4 )       3.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   I n   th is   s tu d y ,   th e  p r o p ag atio n   d elay ,   tr an s ien t  an d   DC   p o wer   co n s u m p tio n   o f   Hv t - Fin FET - b ased   in v er ter s ,   NAND ,   an d   NOR  g ates  ar e  ev alu ated   an d   co m p ar ed   with   co n v en tio n al  C MO S  co u n ter p a r ts .   T h e   an aly s is   in clu d es  b o th   s im u lated   an d   t h eo r etica l  r esu lts ,   h ig h lig h tin g   th e  im p ac t  o f   p ar asit ic  ef f ec ts   an d   p r o ce s s   v ar iatio n s .     3 . 1 .   P r o pa g a t io n  d ela y   o f   H v t - F inFE T   i nv er t er   T h e  d elay   o f   th e  Hv t - Fin FET   in v er ter   as  s h o wn   in   Fig u r e  6   was  m ea s u r ed   to   b e  2 7 . 2   p s   i n   ca d en ce   v ir tu o s o ,   wh er ea s   th e  th e o r eti ca lly   ca lcu lated   v alu e  was  2 5   p s .   T h is   s lig h t  d ev iatio n   ar is es  d u e  to   p ar asit ic  r esis tan ce s ,   in ter co n n ec t  ca p a citan ce s ,   an d   p r o ce s s   v ar iatio n s   in   th e  s im u latio n   en v ir o n m en t.  Un lik e  C MO S   in v er ter s ,   wh ic h   s u f f er   f r o m   h ig h er   p ar asit ic  ca p ac ita n ce   a n d   in c r ea s ed   lea k ag e   cu r r e n ts ,   Fin FET   in v er ter s   m ain tain   a  s tab le  th r esh o ld   v o l tag e  ( Vth )   en s u r i n g   c o n s is ten t a n d   ef f icien t  p er f o r m an ce .       3 . 2 .    T ra ns ient   a nd   DC  po we r   co ns u mp t io n o f   H v t - F inFE T   inv er t er   T h e  Hv t - Fin FET   in v er te r   tr an s ien t  an d   DC   r esp o n s e  is   s h o wn   in   Fig u r e s  7 ( a )   an d   7 ( b ) .   T h e  tr an s ien t   an d   DC   p o wer   co n s u m p tio n   m ea s u r ed   f r o m   Fig u r e s   7 ( c) ,   an d   7 ( d )   was  r ec o r d ed   as  6 9 4 . 2 9 5   n W ,   wh ile  th e  DC   p o wer   co n s u m p tio n   was  f o u n d   to   b e  1 3 7 . 5 9 4   n W .   T h e  th eo r etica l  v alu es  f o r   d y n am i c  an d   s tatic  p o wer   wer e  ca lcu lated   as 0 . 3 5   μ W   an d   0 . 1   μ W ,   r esp ec tiv ely .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   6 ,  Decem b e r   20 25 :   5 1 9 3 - 5 2 0 4   5200       Fig u r e  6 .  Dela y   o f   Hv t - Fin FE T   in v er ter             ( a)       ( b )           ( c)     ( d )     Fig u r e  7 .   Hv t - Fin FET   in v er ter   ( a)   tr an s ien t r esp o n s e  ( b )   DC   r esp o n s e  ( c)   tr a n s ien t p o wer   ( d )   DC   p o wer       3 . 2 . 2 .  Hvt - F inFE T   NAND   g a t e  perf o rma nce   T h e  p r o p ag atio n   d elay   o f   th e  Fin FET   NAND   g ate  was  m ea s u r ed   as  4 . 9 2   n s ,   wh er ea s   th e  th eo r etica l   d elay   was  4 . 0 8   n s .   T h e  ex tr ac t ed   d elay   v alu e  is   p r esen te d   in   Fig u r e  8 ( a) ,   c o n f ir m in g   th e  e x p ec ted   v ar iatio n   i n   d elay   u n d er   p r ac tical  co n d itio n s .   T h e   d y n am ic  p o wer   co n s u m p tio n   r ec o r d e d   in   s im u lat io n s   was  1 . 3 3   μ W ,   co m p ar ed   to   t h e  th eo r etica l   v alu e  o f   2 . 8 8   μ W .   T h e  tr an s ien t  p o wer   ch ar ac ter is tics   ar e  illu s tr ated   in   Fig u r e  8 ( b ) .   T h e   s tatic  p o we r   d is s ip atio n   was  m ea s u r e d   a t  2 . 1 5   n W ,   alig n in g   clo s ely   with   th e  th eo r etica l  esti m atio n   o f   1 2 0   m W .   T h e  D C   p o wer   d is s ip atio n   cu r v e   is   p r esen ted   in   Fig u r e  8 ( c) .     3 . 2 . 3 .  Hvt - F inFE T   NO R  g a t e  perf o rm a nce   Hv t - Fin FET   b ased   NOR  g a te  ex h ib ited   p r o p a g atio n   d el ay   o f   2 . 8 5 p s ,   wh ile   th e  t h eo r etica lly   ca lcu lated   d elay   was  1 . 3 8 μ s .   T h e  ex tr ac ted   d elay   v alu e  is   p r esen ted   in   Fig u r e  9 ( a) ,   c o n f ir m in g   t h e  d elay   ch ar ac ter is tics .   in   p r ac tical  co n d itio n s .   T h e  tr an s ien t  p o wer   co n s u m p tio n   was  m ea s u r ed   as  1 . 2 2   μ W ,   co m p ar ed   to   th e  th eo r etica l  v alu e  o f   2 0   m W .   T h is   tr an s ien t   p o wer   b e h av io r   is   illu s tr ated   in   Fig u r e  9 ( b ) .   T h e   DC   p o wer   d is s ip atio n   was  m ea s u r ed   at  1 3 3 . 4 2   n W ,   s li g h tly   lo wer   th an   t h e  th eo r et ical  esti m atio n   o f     1 6 0 . 1   n W .   T h e  DC   p o wer   d is s ip atio n   cu r v e  is   p r esen ted   in   Fig u r e  9 ( c) .   ti me( ns )   DC ( v)   w ( uw )   w ( uw )   Vout ( v)   W ( uw)   ti me( ns )   ti me( ns )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Lo w - p o w er a n d   r ed u ce d   d el a y  in   in ve r ter a n d   u n ivers a l lo g ic   …   ( V ee r a p p a   C h ikka g o u d a r )   5201     ( a)           ( b )   ( c)     Fig u r e  8 .  Hv t - Fin FET   NAND   g ate  ( a)   d ela y ,   ( b )   t r an s ien t p o wer ,   an d   ( c )   DC   p o wer           ( a)           ( b )   ( c)     Fig u r e  9 .   Hv t - Fin FET   NOR g ate  ( a)   d elay ,   ( b )   t r an s ien t p o w er ,   an d   ( c)   DC   p o wer       3 . 3 .   P er f o r m a nce  co m pa riso n  o f   H v t - F inFE T   a nd   C M O S  lo g ic  g a t es   Hv t - Fin FET   1 8 n m   tech n o lo g y   d em o n s tr ates  s ig n if ican t   im p r o v em e n ts   o v e r   C MO S  4 5 n m   in v e r ter s   an d   lo g ic  g ates  in   ter m s   o f   p o wer   e f f icien cy   an d   r ed u c ed   d elay   as  s h o wn   in   T ab le   4 .   T h e  m ea s u r e d   p r o p a g atio n   d elay s   an d   p o wer   d is s ip atio n   v alu es  clo s ely   m atch   th eo r etica l  p r ed ictio n s ,   with   m in o r   d ev iatio n s   d u e  to   p ar asit ic  an d   p r o ce s s - r elate d   f ac to r s .   Fu r t h er ,   th ese   u n iv er s al  g ates  h a v e  m u c h   lo wer   p r o p ag atio n   d elay s ,   in d icatin g   im p r o v ed   s witch in g   p er f o r m an ce   as in d ic ated   in   T ab le  5 .         t i m e ( n s)   w ( uw )   ti me( ns )   DC ( V)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   6 ,  Decem b e r   20 25 :   5 1 9 3 - 5 2 0 4   5202   T ab le  4 .   I n v er ter s   M e t r i c   H v t - F i n F ET   C M O S   S u p p l y   V o l t a g e   ( V D D )   0 . 9 V   1 . 1 V   D y n a mi c   P o w e r   0 . 3 5 μW   2 . 5 μW   S t a t i c   P o w e r   0 . 1 μW   0 . 8 μW   P r o p a g a t i o n   D e l a y   ( τ)   2 7 . 2 p s   7 5 p s   I o n / I o f f   R a t i o   ~ 1 0 ^ 6   ~ 1 0 ^ 4   S u p p l y   V o l t a g e   ( V D D )   0 . 9 V   1 . 1 V       T ab le  5 .   NAND   an d   NOR  g at es   Lo g i c   G a t e   M e t r i c   C M O S   H V T  F i n F ET     To t a l   P o w e r   4 . 5 7 μW   1 . 3 3   μW   NAND   P r o p a g a t i o n   D e l a y   4 1 . 7 p s   4 . 9 2   ps   To t a l   P o w e r   3 . 9 μW   1 . 2 2   μW   NOR   P r o p a g a t i o n   D e l a y   9 . 8 p s   2 . 8 5   ps       4.   CO NCLU SI O N  AND  F UR T H E R  E NH AN CE M E NT   Fin FET   tech n o lo g y   with   h ig h   th r esh o ld   v o ltag e  v a r iatio n   h a s   p r o v ed   to   b e  an   ef f icien t  alte r n ativ e  to   co n v en tio n al  C MO S.  C o m p ar ed   with   C MO S   tech n o lo g y ,   Pr o p o s ed   Hv t - Fin FET   in v er ter   o b tain ed   p o wer   an d   p r o p a g atio n   d elay   r ed u ctio n   o f   1 3 . 6 3 %  an d   3 3 . 3 3 %  r esp ec tiv ely .   T h e   p o wer   a n d   d el ay   o p tim izatio n   o f   2 9 . 1 0 %   an d   1 1 . 8 %  h a v e  b ee n   o b s er v ed   in   th e  lo w  p o wer   N AND  g ate.   NOR  g ate  ex h ib its   r ed u ctio n   o f   p o wer   co n s u m p tio n   a n d   d elay   b y   3 1 . 2 8 %  an d   2 9 . 0 8 %   r esp ec tiv ely .   T h e  r esu lts   d em o n s tr ate  th at  Fin FET - b ased   cir cu its   co n s u m e  s u b s tan tially   less   p o wer ,   m ak in g   th em   id ea l  f o r   lo w - p o wer ,   h ig h - p er f o r m an ce   VL SI   ap p licatio n s   wh en   co m p a r ed   to   C MO S  4 5 n m   tech n o lo g y .   T h e   I o n /I o f f   r atio   o f   Hv t - Fin FET   ( ≈ 1 0 ⁶ )   is   s ig n if ican tly   h ig h er   th a n   C MO S  ( ≈ 1 0 ⁴) ,   en s u r in g   b ett er   d r iv e   cu r r en t  an d   r e d u c ed   leak ag e.   T h ese   ad v an ce m e n ts   co n f ir m   Hv t - Fi n FET ’ s   s u p er io r   elec tr o s tatic  co n tr o l  an d   en er g y   ef f icien cy ,   p o s itio n in g   it  as  a   k ey   en a b ler   f o r   n ex t - g en er atio n   VL SI  cir cu its ,   AI   ac ce ler ato r s ,   an d   I o T   d ev ices.   Fu tu r e  r esear ch   s h o u ld   f o cu s   o n   f u r th e r   o p tim izin g   Fin FE T   ar ch itectu r es  to   en h an ce   p e r f o r m a n ce   an d   s ca lab ilit y .   Po ten tial  im p r o v em en ts   in clu d e  h y b r id   Fin FET - Gate - All - Ar o u n d   ( GAA)   d esig n s ,   d y n am ic   th r esh o ld   t u n in g ,   s tr ain   e n g i n ee r in g ,   an d   3 D   Fin FET   s tack in g   t o   f u r th er   m in im ize   leak ag e  a n d   im p r o v e   s witch in g   ef f icien cy .   C o n tin u ed   ad v an ce m en ts   in   Fin FET   f ab r icatio n   an d   in teg r atio n   te ch n iq u es  will  d r iv e   s ca lab ilit y ,   co s t - ef f ec tiv en ess ,   an d   wid esp r ea d   ad o p ti o n   in   m o d er n   elec tr o n ic  s y s tem s .       F UNDING   I NF O R M A T I O N    Au th o r s   s tate  n o   f u n d in g   in v o lv ed .       AUTHO R  CO NT RI B UT I O NS ST A T E M E N T   T h is   jo u r n al  u s es  th e  C o n tr ib u to r   R o les  T ax o n o m y   ( C R ed iT)   to   r ec o g n ize  in d iv id u al  au th o r   co n tr ib u tio n s ,   r ed u ce   au th o r s h ip   d is p u tes,  an d   f ac ilit ate  co llab o r atio n .     Na m e  o f   Aut ho r   C   M   So   Va   Fo   I   R   D   O   E   Vi   Su   P   Fu   Ve e ra p p a   Ch ik k a g o u d a r   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓     G .   In d u m a th i     ✓     ✓   ✓     ✓       ✓     ✓         C   :    C o n c e p t u a l i z a t i o n   M   :    M e t h o d o l o g y   So   :    So f t w a r e   Va   :    Va l i d a t i o n   Fo   :    Fo r mal   a n a l y s i s   I   :    I n v e s t i g a t i o n   R   :    R e so u r c e s   D   :   D a t a   C u r a t i o n   O   :   W r i t i n g   -   O r i g i n a l   D r a f t   E   :   W r i t i n g   -   R e v i e w   &   E d i t i n g   Vi   :    Vi su a l i z a t i o n   Su   :    Su p e r v i s i o n   P   :    P r o j e c t   a d mi n i st r a t i o n   Fu   :    Fu n d i n g   a c q u i si t i o n         CO NF L I C T   O F   I N T E R E S T   ST A T E M E NT       Au th o r s   s tate  n o   co n f lict o f   in t er est.       DATA AV AI L AB I L I T Y    T h e  d ata  t h at  s u p p o r t  th e   f in d in g s   o f   th is   s tu d y   a r e  av aila b le  f r o m   th e  c o r r esp o n d in g   a u th o r ,   VC ,   u p o n   r ea s o n ab le  r eq u est.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.