Concepção de Circuitos Integrados

1. 12 Concepção de Circuitos Integrados Modelos doTransistor MOS Informática UFRGS

2. Transistor MOS grade óxido de gate VGS fonte dreno + canal N - óxido de campo N+ N+ região de depleção P substrato P contato de substrato (bulk)

3. Transistor MOS Regimes de funcionamento grade de polisilício óxido de silício SiO2 ISOLANTE Acumulação Vgs<< Vt substrato P região de inversão região de depleção Vgs= Vt Vgs> Vt região de depleção Inversão Depleção

4. Transistor MOS Influência das tensões dos terminais Modo de inversão canal N - camada de inversão grade Vgs fonte dreno + - Vgs≥ Vt p/ Vds = 0 N+ N+ camada de depleção P onde: Wd - profundidade da camada de depleção NA- dopagem do substrato f - tensão através da região de depleção q - carga do elétron esi - permissividade elétrica do silício √ 2 esif q NA Wd =

5. Transistor MOS Influência das tensões dos terminais Modo não saturado Vds < Vgs -Vt fonte (linear, resistivo) N+ N+ Ids depende de Vgs e Vds P

6. Transistor MOS Influência das tensões dos terminais Os elétrons do canal são “injetados” na região de depleção do dreno e acelerados em direção ao dreno Modo saturado pinch-off A corrente no canal é controlada pela por Vgs e praticamente independente de Vds Vds Vgs - Vt Vds > Vgs -Vt fonte Com Vds e Vgs fixo Ids depende de : - distância entre fonte e dreno - largura do canal (W) - tensão de threshold Vt - espessura do óxido de gate - constante dielétrica do isolante e - mobilidade do portador µ - temperatura N+ N+ Vds P

7. Transistor MOS Tensão de threshold Vté a tensão Vgs de um dispositivo MOS abaixo da qual a corrente Ids cai praticamente a zero. Quando ocorre inversão forte. Vt é função de vários parâmetros, dentre os quais: -material condutor da grade -material isolante do gate (dielétrico) e sua espessura -dopagem do canal -concentração de impurezas na interface silício-isolante -tensão entre fonte e substrato Vsb -temperatura (diminui com o aumento de temperatura)tipicamente - 4 a -2 mV /ºC

8. eox tox Cox = Transistor MOS Tensão de threshold Coxé a capacitância de gate por unidade de área eox = 3,97 eo= 3,5 . 10-13 F/cm (permissividade do óxido) Exemplo: para tox =20 nm(=200Aº) temos que Cox é 1,75 fF/µm2.

9. Transistor MOS Curvas I-V Ids - corrente de dreno Ids canal N em enriquecimento Vgs Vtn 0 Ids canal N em depleção OBS: como nos transistores de carga (pull-up) de portas lógicas NMOS Vgs - Vtn 0

10. Transistor MOS Curvas I-V Supondo VT = 0.8 v VDS > VGS -VT VDS < VGS -VT √ ID ID (mA) VGS = 5V VDS = VGS -VT 0.02 2 triodo saturação VDS = 4.2 v VGS = 4V VDS = 3.2 v subthreshold current 1 0.01 VDS = 2.2 v VGS = 3V VDS = 1.2 v VGS = 2V VGS = 1V VGS 0 1 2 3 VDS(V) 0 1 2 3 4 5 VT ID em função de VGS (para VDS = 5V) ID em função de VDS Região de triodo: o transistor funciona como um resistor controlado por tensão Região de saturação: o transistor funciona como uma fonte de corrente controlada por tensão

11. G CGS CGD D S CSB CGB CDB B Transistor MOS Modelo de Capacitâncias CSB - Capacitância fonte-substrato (bulk) CDB - Capacitância dreno-substrato (bulk) CGB - Capacitância grade-substrato (bulk) CGS - Capacitância grade-fonte CGD - Capacitância grade-dreno