MOSFET: Revisão. MOSFET: Revisão

Transcrição

1 Contacto de dreno/fonte (drain/source : Revisão Contacto da Porta (gate Polisilício Metalização Contacto de fonte/dreno (source/drain Contacto de substrato S i O min p + Oxido fino p- Substrato Não há diferença física entre o dreno e a fonte. menor tensão dos dois define a fonte. O polisilício permite o fabrico de s com o canal bem alinhado com a porta (processo autoalinhado. min < 90nm < nm Símbolos : Revisão G /S S/ corrente de porta é diminuta (~0-7, no entanto as capacidades parasitas acoplam o sinal da porta aos sinais de dreno e/ou fonte. O substrato (B normalmente é ligado à tensão mais baixa do circuito. esta forma, o transístor estará rodeado de junções inversamente polarizadas que o isolam electricamente de outros MOSs, prevenindo que surjam correntes entre transístores através do substrato. p- B

2 : Modos de operação básicos. Região de acumulação: - Com g<<0 há acumulação de lacunas na região de substrato por baixo do ido fino da porta. - Na região de acumulação forma-se um canal com densidade de lacunas p +. - Mesmo que as tensões de dreno e/ou fonte cresçam, não há condução possível (à parte as correntes de fugas, e para níveis de tensão abaixo da tensão de breakdown. g << (Nota: Há também região de depleção em n+, mas como N >> N, em p- a sua extensão é muito menor p- s >0 >0 0 Região de depleção (iões -, não disponíveis para condução g <<0 3. Região de epleção/nversão : Modos de operação básicos - Um g positivo actua de uma forma capacitiva para colocar uma igual variação de carga, Q+ e Q-, na porta e à superfície do substrato, respectivamente. s lacunas serão repelidas, sendo possível encontrar um g que induza uma situação de depleção (ausência de cargas móveis na região de substrato por baixo da porta. Portanto, a corrente será nula nesta circunstância. - Com g a aumentar, o campo eléctrico nas regiões de dreno e fonte faz deslocar cargas destas regiões para o substrato, fazendo inverter a polaridade do canal tornando-se assim do tipo n. Canal invertido p- g > 0 Região de depleção (iões -, não disponíveis para condução - Se g é tal que a concentração de electrões no canal é inferior à de p-: transístor opera na região de inversão fraca ou sublimiar. Se g é tal que a concentração do canal (n iguala ou se torna superior a p - : transístor opera na inversão forte. À tensão gs, para o qual se torna verdade a inversão forte, chama-se tensão de limiar ( t. - 4

3 : modelo eléctrico simples nversão forte s tensões no são sempre referenciadas ao substrato. S SB B G GB GB - SB B - SB G GB - B G G S B O modelo é representado por um conjunto de equações que relacionam com as restantes tensões no transístor. São portanto relações formais que pretendem prever o comportamento físico do dispositivo. 5 Modelo de carga laminar Este é o modelo mais simples e corresponde à assunção de que o canal de inversão tem uma profundidade infinitesimal. e são o comprimento e largura do canal, respectivamente corrente é devida a duas componentes: difusão e deriva. Embora neste modelo se considerem campos eléctricos fracos, na inversão forte são suficientemente elevados para que só se considere a componente de deriva. Condutividade do canal por quadrado: σ s = µ Q n n( x = ρs Mobilidade dos electrões (lacunas no canal de tipo p Notar que: R = ρ, então R = =ρ/h. Ou h seja, a resistência de um quadrado é independente do valor de e (h é constante para cada material. dx dr w sto é válido para o polisilício, regiões n+(p-... S 0 6 3

4 Modelo de carga laminar: ríodo Considerando o canal uniforme entre o dreno e a fonte, podemos definir uma capacidade total Cgb, entre a porta e o canal de inversão, como: ( Cgb = ε t É mais comum designar-se esta capacidade por C, e o seu valor por unidade de àrea é: C ε = t C = C Carga por unidade de área no canal: ch (x (x Resistência e tensão incrementais: dx x dx dr = ρ d s = µ Q ( x dr = dx Q ( x n = C ( x G CH ( = C ( x ( = µ C ( n Manipulando e integrando: Região linear ou de tríodo ( n n x 7 Modelo de carga laminar: Saturação Conforme aumenta, a densidade de carga junto ao dreno diminui, de facto: Q n ( = C ( = C ( = C ( G ch ( Se = - então Q n (=0, ocorre o pinch-off. partir daqui pode-se, numa aprimação de primeiro grau, afirmar que a carga total no canal é constante. Portanto basta substituir = - na equação de em tríodo, resultando na seguinte equação: Região de saturação = µ C n ( ( 8 4

5 Modelo de carga laminar: Modulação de canal = µ C n elect ( = elect ariação de com? elect ε si qn λ - Modulação de canal ( ( + ( = µ C n λ λ = ε qn si ( + φ0 sat canal ( + φ = (argura da região de depleção. ε si 0 ( qn + φ mplante Substrato N N φ = 0 t ln ni Potencial de contacto da junção PN Nota: Considera-se como sendo a extensão correspondente à depleção na região p- pois N >>N 0 9 Modelo de carga laminar: Efeito de corpo O aumento da tensão de fonte em relação ao substrato faz alargar a região de depleção, encurtando a profundidade do canal, e portanto menor será a carga total no canal. Quer isto dizer que diminui com o aumento de SB. diminuição de corrente é reflectida por uma alteração na tensão de limiar. = o + γ γ = qn ε C si ( SB + φ F φ F φ F Potencial de Fermi: efinese como o potencial de contacto entre o material extrínseco e o intrínseco. N ou φf = t ln ni 0 5

6 : Capacidades Parasitas Óxido fino C GB / Óxido Grosso (FOX até 40.t C GB ov=c d ef =CGBO. ef S ef ef =- d d ef Channel Stop N + C ov=c ef d =CO. ef C G ov=c ef d =CGO. ef C SB ov=c bottom + C sw = C j S. ef +CJS( S + ef Em princípio C SB =C B S G : Capacidades Cgd Cdb Cjsb Cgso C CBC Cgdo Cjdb Cgs Csb Cgb Sobreposição nos extremos da porta Capacidade Corte inear / ríodo Saturação / Pêntodo Cgd CGO...C +CGO CGO. Cdb Cjdep Cjdep Cjdep Cgb C..ef+CGBO. CGBO. CGBO. Cgs CO...C +CO..C +CO Csb Cjdep Cjdep Cjdep 3 6

7 : Capacidades.MOE CMOSN NMOS EE=3 OX=3.0500E-08 [m] =.0000E-07 [m] UO=670.9 [cm /] + CGO=.6983E-0 [F/m] CO=.6983E-0 [F/m] CGBO=.003E-0 [F/m] + CJ=.958E-04 [F/m ] MJ=5.8E-0 CJS=.774E-0 [F/m] MJS=.0000E-0 + PB=9.790E-0 [] cj. C jdep = MJ B + PB + + CJS. P MJS B PBS ε 3,97 8,85. af / µ m C = = OX OX 3 : Capacidades cumulação C epleção nversão forte Capacidade de má qualidade Capacidade de razoável qualidade C = C 4 7

8 O transístor MOS região linear Modelos: Sumário Óxido da porta fonte gs > t porta corrente ef ds < gs - t - + d d dreno Substracto p K n(p transcondutância intrínseca do processo m n(p mobilidade superficial tensão de limiar de condução ( SB =0 C capacidade unitária do óxido ( = e / t e = 3.97 x 8,85 af/µm β factor de ganho do transístor Em SPCE UO O OX 5 Modelos: Sumário O transístor MOS região de saturação β ( ( + λ = gs > t - + ds = gs - t ds = tensão de pintch-off fonte porta corrente dreno d d Óhmica, linear fonte porta ds > gs - t dreno saturação d λ coeficiente de modulação do canal Em SPCE MB 6 8

9 SPCE modelo nível Na região linear: gs > t e ds < gs - t =. ef. gs - t - ds.ds(+ λ. ds Na região de Saturação gs > t e ds > gs - t =. eff.( gs - t.(+ λ. ds ( φp - bs φp t = t0 + γ ( = µ.c k φp = ln q Na ni eff = - Xjl γ = ε s Na C C ε = t 7 SPCE modelo nível SíMBOO SPCE ESCRÇÃO UNES t γ φ f λ t Nb Xjl µo O GMM PH MB OX NSUB UO t para vbs=0 ranscondutância Efeito de corpo Potencial de superfície em inversão Modulação de canal Espessura de Óxido opagem de Substrato ifusão lateral Mobilidade de superfície / / - m cm -3 m cm /.s Parâmetros de efeitos parasitas s Js φ J Cj Mj Cjsw Mjsw FC Ccbo Cgdo Cgso Rd Rs Rsh S JS PB CJ MJ CJS MJS FC CGBO CGO CO R RS RSH Corrente de Saturação da Junção ensidade de Corrente de Saturação da Junção Potencial da junção Capacidade por área para bs=0 Coeficiente de graduação da junção Capacidade de perímetro por metro para bs=0 Coeficiente de graduação da junção no perímetro Coeficiente de junção polarizada directamente Capacidade entre Porta e corpo Capacidade entre Porta e reno Capacidade entre Porta e Fonte Resistência do reno Resistência da Fonte Resistência superficial entre fonte e dreno /m F/m F/m F/m F/m F/m Ω Ω Ω 8 9

10 SPCE modelo nível Na região linear: ds.. gs - fb - φf -.ds γ λ. ds eff 3 ( ds -bs + φf 3 ( bs + φf 3 = tensão de limiar pode ser calculada a partir dos parâmetros físicos através da equação: q.nss t0 = φms - + φf + γ φf k onde: Na N, poly φms = C ln + ln q ni ni Na região de Saturação: =, sat λds,sat = gs - fb - φp + γ - + (gs - fb γ Na região de nversão fraca: nk ON = t + q ds = on.e (,sat é calculado pela expressão de na região linear fazendo ds=d,sat n = q gs - on. nk on=ds em inversão forte, para gs=on qnfs + + C Cd C Cd = Capacidade de depleção εs Uc. t = ε gs t Ut. ds Ue Potencial de contacto entre porta e substrato φp=φf Efeito da redução da mobilidade com o aumento de g O termo em parêntesis é limitado a 9 SPCE modelo nível SÍMBOO SPCE ESCRÇÃO UNES t γ φ f λ t Nb Nss Nfs Neff Xj Xjl pg µo Uc Ue Ut vmax Xqc δ O GMM PH MB OX NSUB NSS NFS NEFF XJ PG UO UCR UEXP UR MX XQC E t para vbs=0 ranscondutância Efeito de corpo Potencial de superfície em inversão Modulação de canal Espessura de Óxido opagem de Substrato ensidade de estados de superfície ensidade de estados rápidos de superfície Coeficiente de carga total de depleção Profundidade da junção metalúrgica ifusão lateral ipo 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 / / - m cm -3 cm - cm - m m cm /.s /cm m/s 0 0

11 SPCE modelo nível 3 Na região linear: + Fb =.. gs - t -.ds.ds eff γ.fs Fb = + Fn φp -bs Fn εs. δ. π 4.C. = Efeito de canal curto ( t = fb + φ p -σ.ds + γ.fs φp - bs + Fn(φp - bs σ representa empiricamente a dependência de t com ds 8.5x0 σ = η C. 3 eff η - parâmetro E Fs = - Xj eff Xjl + c. Xj p Xjl - Xj + p Xj No caso de não ser dado o valor de Kp µ s µ eff = µ s.ds + vmax.eff µ µ s = + θ (gs - t + θbs É usado o mesmo modelo do nível para inversão fraca