O transístor MOS região linear

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Felícia Batista
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1 O transístor MOS região linear Óxido da porta fonte gs > t - - porta corrente ef ds < gs - t - I d d dreno Substracto p β factor de ganho do transístor K n(p) transcondutância intrínseca do processo µ n(p) mobilidade superficial T tensão de limiar de condução ( SB 0) C ox capacidade unitária do óxido ( ε ox / t ox ) ε ox 3.97 x 8,85 af/µm Em SPICE KP UO TO TOX

2 O transístor MOS região de saturação I D 1 GS T ( ) ( λ ) β 1 DS gs > t - ds gs - t ds tensão de pintch-off fonte porta corrente d dreno I d Óhmica, linear fonte porta ds > gs - t dreno saturação I d λ coeficiente de modulação do canal Em SPICE AMBDA

3 O transístor MOS modelo nível 1 Na região linear: gs > t e ds < gs - t I DS KP. W ef ds. gs - t -.ds(1 λ. ds) Na região de Saturação gs > t e ds > gs - t IDS KP. W eff ( gs - t).(1 λ. ds). ( φp - bs) φp ) t t0 γ ( KP µ.c' ox φp kt q Na ln ni eff - Xjl γ ε s Na C' ox C' ox εox tox

4 O transístor MOS modelo nível 1 SíMBOO SPICE DESCRIÇÃO UNIDADES t KP γ φ f λ tox Nb Xjl µo TO KP GAMMA PHI AMBDA TOX NSUB D UO t para vbs0 Transcondutância Efeito de corpo Potencial de superfície em inversão Modulação de canal Espessura de Óxido Dopagem de Substrato Difusão lateral Mobilidade de superfície A/ 1/ -1 m cm -3 m cm /.s Parâmetros de efeitos parasitas Is Js φ J Cj Mj Cjsw Mjsw FC Ccbo Cgdo Cgso Rd Rs Rsh IS JS PB CJ MJ CJSW MJSW FC CGBO CGDO CGSO RD RS RSH Corrente de Saturação da Junção Densidade de Corrente de Saturação da Junção Potencial da junção Capacidade por área para bs0 Coeficiente de graduação da junção Capacidade de perímetro por metro para bs0 Coeficiente de graduação da junção no perímetro Coeficiente de junção polarizada diretamente Capacidade entre Porta e corpo Capacidade entre Porta e Dreno Capacidade entre Porta e Fonte Resistência do Dreno Resistência da Fonte Resistência superficial entre fonte e dreno A A/m F/m F/m F/m F/m F/m Ω Ω Ω

5 O transístor MOS modelo nível Na região linear: IDS KP W. 1 λ. ds eff ds. gs - fb - φf -.ds γ 3 ( ds - bs φf ) 3 ( bs φf ) 3 A tensão de limiar pode ser calculada a partir dos parâmetros físicos através da equação: q.nss t0 φms - φf γ φf kt onde: Na ND, poly φms C' ox ln ln q ni ni Na região de Saturação: IDS 1 I D, sat 1 λds gs - fb - φp γ 1-1 (gs - fb) γ D,sat Na região de Inversão fraca: ON Ids t Ion.e nkt q ( ) gs - on. q nkt qnfs n 1 C' ox IonIds em inversão forte, para gson Cd C' ox Cd Capacitância de depleção εs KP' KP εox Uc. tox gs t Ut. ds Ue Potencial de contacto entre porta e substracto ID,sat é calculado pela expressão de IDS na região linear fazendo dsd,sat φpφf Efeito da redução da mobilidade com o aumento de g O termo em parêntesis é limitado a1

6 O transístor MOS modelo nível SÍMBOO SPICE DESCRIÇÃO UNIDADES t KP γ φ f λ tox Nb Nss Nfs Neff Xj Xjl Tpg µo Uc Ue Ut vmax Xqc δ TO KP GAMMA PHI AMBDA TOX NSUB NSS NFS NEFF XJ D TPG UO UCRIT UEXP UTRA MAX XQC DETA t para vbs0 Transcondutância Efeito de corpo Potencial de superfície em inversão Modulação de canal Espessura de Óxido Dopagem de Substrato Densidade de estados de superfície Densidade de estados rápidos de superfície Coeficiente de carga total de depleção Profundidade da junção metalúrgica Difusão lateral Tipo do material do gate* Mobilidade Campo eléctrico crítico para mobilidade Coeficiente exponencial para mobilidade Coeficiente do campo transversal Máxima velocidade de deriva de portadores Fração de carga no canal atribuída ao dreno Efeito da largura na tensão de limiar A/ 1/ -1 m cm -3 cm - cm - m m cm /.s /cm m/s

7 O transístor MOS modelo nível 3 Na região linear: W 1 Fb IDS KP.. gs - t -.ds.ds eff γ.fs Fb Fn Fn φp - bs ε s. δ. π 4.C' ox.w Efeito de canal curto (W) t fb φ p -σ.ds γ.fs φp - bs Fn(φp - bs) σ representa empiricamente a dependência de t com ds 8.15x10 σ η C' ox. 1 3 eff η - parâmetro ETA Fs 1- Xj eff Xjl Wc. Xj Wp 1- Xj Wp Xjl Xj No caso de não ser dado o valor de Kp µ eff 1 µ s µ s.ds vmax.eff µ µ s 1 θ (gs - t) θbs É usado o mesmo modelo do nível para inversão fraca

8 O transístor MOS modelo nível 3 SÍMBOO SPICE DESCRIÇÃO UNIDADES t KP γ φ f λ tox Nb Nss Nfs Xj Xjl Tpg µo vmax Xqc δ η θ TO KP GAMMA PHI AMBDA TOX NSUB NSS NFS XJ D TPG UO MAX XQC DETA ETA THETA t para vbs0 Transconductância Efeito de corpo Potencial de superfície em inversão Modulação de canal Espessura do óxido da porta Dopagem do Substrato Densidade de estados de superfície Densidade de estados rápidos de superfície Profundidade da junção metalúrgica Difusão lateral Tipo do material do gate* Mobilidade Máxima velocidade de deriva de portadores Fracção de carga no canal atribuída ao dreno Efeito da largura na tensão de limiar Efeito de d sobre t Modulação da mobilidade g A/ 1/ -1 m cm -3 cm - cm - m m cm /.s m/s -1 Os parâmetros dos efeitos parasitas são os mesmos para os 3 primeiros níveis Tipo de material da porta 1 oposto ao do substrato *TPG - 1 o mesmo do substrato 0 alumínio

9 O Inversor v SGp v GSn

10 Inversor característica estática OHmin dec-1 in out O Kβ I IH NM H OH - IH, NM I - O Observações Tensões de saída próximas de e Gnd garantem maiores margens de ruído Os níveis lógicos não dependem das dimensões relativas dos transístores Baixa impedância de saída (regulação de saída) Elevada impedância de entrada (fan-out)

11 Inversor W Mn 1u, W Mp 4u W Mn 4u, W Mp 48u Mn Mp,4u De que modo as dimensões dos transístores afectam o tempo de comutação? Mn Mp 4,8u

Capacidades do transístor modelo de Meyer capacidades

Óxido grosso até 40.tox C GB ovc ox W d ef CGBO.

ovc ox W ef d CGSO.W ef C GD ovc ox W ef d CGDO.

12 Capacidades do transístor modelo de Meyer capacidades extrínsecas vista a vista b Óxido fino C GB / vista b Óxido grosso até 40.tox C GB ovc ox W d ef CGBO. ef vista a W S ef ef - d d D W ef Channel Stop N A C GS ovc ox W ef d CGSO.W ef C GD ovc ox W ef d CGDO.W ef C SB ovc bottom C sw C j S.W ef CJSW( S W ef ) Em princípio C SB C DB

13 Capacidades do transístor modelo de Meyer capacidades intrínsecas Cx 1 ' C oxw /3 0,5 XGB Sub- -threshold XGS saturação linear XGD 0 T DS T GS

14 Cgd Modelo a altas frequências Cdb S G D Cip Cgs Csb Cgb Cint Zona de depleção Cjsb Capacidade Corte inear / Tríodo Saturação / Pêntodo Cgd CGDO.W W..C ox CGDO.W Cdb Cjdep Cjdep Cjdep Cgb C ox.w.efcgbo. CGBO. CGBO. Cgs CGSO.W W..C ox W..C ox Csb Cjdep Cjdep Cjdep 1 1 Cos Cox CBC B 3 Cod Cjdb

15 Inversor comportamento dinâmico Modelo dos transístores durante a comutação v i v GSn 5-TO n(p) v SDp v o v DSn Mn saturação Mp saturação Mn linear Mp corte Mn corte Mp linear

16 Inversor capacidades envolvidas na comutação Capacidades vistas do nó de saída do inversor Capacidades de entrada do inversor Ci 3/ Cox C total Cdb1 Cgd1(1-A) Cdb Cgd1(1-A) Ccarga Cjdep 1/C ox W N N (1-A) Cjdep CGDO.W P (1-A) Ccarga.Cjdep C oxw.cgdo.w P C OX Ccarga Cjdep C j S.W ef CJSW( S W ef )

17 Inversor comportamento dinâmico tph0,69ronn C NC KP W N N tph0,69ronp C PC KP W P P I Estas expressões tomam R on /I em que I é a corrente no ponto inicial da condução em saturação

18 Inversor comportamento dinâmico t p (t ph t ph )/ t p 0,9C β N 1 1 TN β β N P 1 1 TP t f,r onn C t r,r onp C Estas expressões de tf e tr assumem que os tempos de subida e de descida são semelhantes aos de carga (ou de descarga) exponencial de uma capacidade.

19 Inversor comportamento dinâmico integrando ao longo dos dois períodos de condução t t 1 t 0 De t 1 a t (zona de saturação): t 0 0,1. 0,9. - TN I t 3 dt I t DS β N β ( C TN C t1 N ( ) 0, 9 TN ) dv dt TN O dv O t f 1 C N ( β ( TN 0,1 TN ) ) De t a t 3 (zona linear): t f t f1 t f I t3 t DS dt β N ( 0,1 GS T TN β TN N ) ( DS C DS TN ) C O O dv dt O dv O tf C β ( N TN 19 ln ) 0 TN

20 Inversor comportamento dinâmico efeitos externos GS < in Presença de resistências parasitas ( Tn( S )) S RS Isat RS n I sat, β Para um processo 1,µm R S 70Ω t ph (ns) 0,35 0,30 0,5 0,0 0,15 t Efeito do gradiente do sinal de entrada Hodges 88 phreal t t phdegrau r 0 0, 0,4 0,6 0,8 1 tr tempo de subida do sinal de entrada (de 0% a 100%) D. Hodges and H. Jackson, Analysis and Design of Digital Integrated Circuits, McGraw-Hill, Inc., Importância relativa dos tempos de propagação

21 Inversor cadeia de N inversores A 0 (W p1 / W n1 ) A 1 (W p1 / W n1 ) 1 N A N-1 (W p1 / W n1 ) C i1 C AC i A N-1 o AC o C i1 A N-1 C o C Ci N C i1 A N-1 C C A C t pt i 1 N C eln C 1 t pi N C ln Ci ln A e 1 10 t p /ln(c /C i ) A O tempo de propagação total mínimo para um qualquer número de inversores acontece para Ae,7

22 Inversor oscilador em anel W p1 / W n1 W p1 / W n1 W p1 / W n1 C i C o C i C o C i C o f osc N ( t t ) ph 1 ph N par ou ímpar?

23 Inversor Consumo de potência I av Q C /T P tot C pt I Q I pic din ( C f ) P tr T P I cc pic f clk t f T P est clk I Q ( t t ) PDP P avg ph ph I cc

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