MOSFET. Lucas Modesto da Costa. Instituto de Física - DFGE - USP. 12 de dezembro de / 36

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1 MOSFET Lucs Modesto d Cost Instituto de Físic - DFGE - USP 12 de dezembro de / 36

2 Trnsistores Descobert Tipos de Trnsistores MOSFET Como Funcion? Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos 2 / 36

3 Trnsistores Trnsistores Descobert Tipos de Trnsistores MOSFET Como Funcion? Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos 3 / 36

4 Descobert Trnsistores Descobert Tipos de Trnsistores MOSFET Como Funcion? Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos Princípio básico proposto n décd de 30 por Lilienfeld e Heil; Bell Telephone em 1947 por Brttin e Brdeen; Proprieddes de superfície de germânio com conttos metálicos retificdores; Em Dezembro do mesmo no, nuncim o trnsistor, porém s primeirs versões erm bem frágeis; W. Shockley em 1948 public um trblho teórico propondo o trnsistor de junção; Prêmio Nobel em 1956 pr Shockley, Brttin e Brdeen. 4 / 36

5 Tipos de Trnsistores Trnsistores Descobert Tipos de Trnsistores MOSFET Como Funcion? Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos Bsicmente, os trnsistores estão divididos em: 1. Trnsistor bipolr de junção: controle prtir d corrente de entrd pnp; npn; 2. Trnsistor de efeito de cmpo: controle prtir d tensão de entrd junção; metl-semicondutor; port isold. 5 / 36

6 MOSFET Trnsistores Descobert Tipos de Trnsistores MOSFET O que signific ess plvr? MOS - Metl-Oxide-Semicondutor; FET - Field Effect Trnsistor. Como Funcion? Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos Uso de terminis elétricos, sendo substituído por polisilício. Terminl port isoldo do semicondutor por um cmd de um óxido do próprio semicondutor (SiO 2 ). A tensão de entrd ger um cmpo num cpcitor, formdo pelo contto metálico d port e pelo semicondutor do cnl, seprdos por um cmd isolnte. Alt impedânci de entrd. 6 / 36

7 Como Funcion? Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos 7 / 36

8 Como Funcion? Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos Difusão convencionl; Fotoresitênci; Evporção vácuo. Fotolitogrfi; Implntção iônic; Corrosão; Epitxi; Deposição; Oxidção Térmic. 8 / 36

9 Produção - Preprndo o substrto Como Funcion? Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos Substrto p 9 / 36

10 Produção - Adição do isolnte Como Funcion? Resultdos Experimentis Óxido (SiO ) 2 Circuitos Integrdos p 10 / 36

11 Produção - Fotolitogrfi Como Funcion? Luz Ultrviolet Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos Máscr p Resin Fotoresistiv 11 / 36

12 Produção - Difusão de impurezs Como Funcion? Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos n + p 12 / 36

13 Produção - Conttos metálicos Como Funcion? Fonte Ponte Dreno SiO 2 Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos p n + Cmd de inversão n + 13 / 36

14 Como Funcion? Pr V P < 0 e Pr 0 < V P < V C e Pr V P > V C e Pr V P > V C e V F D < V P V C Pr V P > V C e V F D = V P V C Pr V P > V C e V F D > V P V C Cpcitor Tensão Crític Esquem de ligção Condutividde do Condutividde do Como Funcion? Tipos de MOSFET Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos 14 / 36

15 Pr V P < 0 e V FD = 0 Como Funcion? Pr V P < 0 e Pr 0 < V P < V C e Pr V P > V C e Pr V P > V C e V F D < V P V C Pr V P > V C e V F D = V P V C Pr V P > V C e V F D > V P V C Cpcitor Tensão Crític Esquem de ligção Condutividde do Condutividde do F P D n + n + p Acumulção Tipos de MOSFET Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos 15 / 36

16 Pr 0 < V P < V C e V FD = 0 Como Funcion? Pr V P < 0 e Pr 0 < V P < V C e Pr V P > V C e Pr V P > V C e V F D < V P V C Pr V P > V C e V F D = V P V C Pr V P > V C e V F D > V P V C Cpcitor Tensão Crític Esquem de ligção Condutividde do Condutividde do F P D n + n + p Depleção Tipos de MOSFET Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos 16 / 36

17 Pr V P > V C e V FD = 0 Como Funcion? Pr V P < 0 e Pr 0 < V P < V C e Pr V P > V C e Pr V P > V C e V F D < V P V C Pr V P > V C e V F D = V P V C Pr V P > V C e V F D > V P V C Cpcitor Tensão Crític Esquem de ligção Condutividde do Condutividde do F P D n + n + p Inversão Tipos de MOSFET Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos 17 / 36

18 Pr V P > V C e V FD < V P V C Como Funcion? Pr V P < 0 e Pr 0 < V P < V C e Pr V P > V C e Pr V P > V C e V F D < V P V C Pr V P > V C e V F D = V P V C Pr V P > V C e V F D > V P V C Cpcitor Tensão Crític Esquem de ligção Condutividde do Condutividde do Tipos de MOSFET Resultdos Experimentis F P D n + p I d = ǫ oxµw LT ox Região Tríodo n + [ (V P V C ) V FD V FD 2 ] 2 Circuitos Integrdos 18 / 36

19 Pr V P > V C e V FD = V P V C Como Funcion? Pr V P < 0 e Pr 0 < V P < V C e Pr V P > V C e Pr V P > V C e V F D < V P V C Pr V P > V C e V F D = V P V C Pr V P > V C e V F D > V P V C Cpcitor Tensão Crític Esquem de ligção Condutividde do Condutividde do F P D n + n + p Trnsição tríodo - sturção pinch-off (pinçmento) Tipos de MOSFET Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos 19 / 36

20 Pr V P > V C e V FD > V P V C Como Funcion? Pr V P < 0 e Pr 0 < V P < V C e Pr V P > V C e Pr V P > V C e V F D < V P V C Pr V P > V C e V F D = V P V C Pr V P > V C e V F D > V P V C Cpcitor Tensão Crític Esquem de ligção Condutividde do Condutividde do Tipos de MOSFET Resultdos Experimentis F P D n + p Região de Sturção I d = ǫ oxµw 2LT ox (V P V C ) 2 n + Circuitos Integrdos 20 / 36

21 Cpcitor Como Funcion? Pr V P < 0 e Pr 0 < V P < V C e Pr V P > V C e Pr V P > V C e V F D < V P V C Pr V P > V C e V F D = V P V C Pr V P > V C e V F D > V P V C Cpcitor Tensão Crític Esquem de ligção Condutividde do Condutividde do Tipos de MOSFET Qued do Potencil: no isolnte (V i ); no semicondutor (V s ). Crgs no cpcitor: V = V i + V s n superfície do metl (Q m ); n superfície do semicondutor (Q s ). Q = Q s = Q m > 0 Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos 21 / 36

22 Cpcitor Como Funcion? Pr V P < 0 e Pr 0 < V P < V C e Pr V P > V C e Pr V P > V C e V F D < V P V C Pr V P > V C e V F D = V P V C Pr V P > V C e V F D > V P V C Cpcitor Tensão Crític Esquem de ligção Condutividde do Condutividde do Tipos de MOSFET Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos V i = Q C i, Comprimento d cmd l Tensão em função de l C i = ǫ i A d l = ( 2ǫs V s en Q s = Q = en LA ) 1/2 V = en d l + en l 2 ǫ i 2ǫ s Gerd cmd de depleção l. Qundo V > V c, teremos crescimento d crg de inversão. 22 / 36

23 Tensão Crític Como Funcion? Pr V P < 0 e Pr 0 < V P < V C e Pr V P > V C e Pr V P > V C e V F D < V P V C Pr V P > V C e V F D = V P V C Pr V P > V C e V F D > V P V C Cpcitor Tensão Crític Esquem de ligção Condutividde do Condutividde do Tipos de MOSFET Resultdos Experimentis Tensão Crític no cso idel: Tensão Crític no cso gerl: V c = Q d C i + 2φ F V c = Q d C i + 2φ F + φ ms Q ox C i Função trblho φ; Q d crg de depleção máxim; Pr obter um pequen tensão crític, deve-se fzer cpcitânci C i mior possível. Circuitos Integrdos 23 / 36

24 Esquem de ligção Como Funcion? Pr V P < 0 e Pr 0 < V P < V C e Pr V P > V C e Pr V P > V C e V F D < V P V C Pr V P > V C e V F D = V P V C Pr V P > V C e V F D > V P V C Cpcitor Tensão Crític Esquem de ligção Condutividde do Condutividde do Tipos de MOSFET I D R S Z L L Z Z=0 Z=L R D I D Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos 24 / 36

25 Condutividde do Como Funcion? Pr V P < 0 e Pr 0 < V P < V C e Pr V P > V C e Pr V P > V C e V F D < V P V C Pr V P > V C e V F D = V P V C Pr V P > V C e V F D > V P V C Cpcitor Tensão Crític Esquem de ligção Condutividde do Condutividde do Tipos de MOSFET Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos Condição de corrente: E ox = V G V (z) T ox σ c (z) = ǫ ox E ox (z) = ǫ ox T ox [V G V (z)] σ m (z) = ǫ ox T ox {[V G V (z)] V P }, sev G V (z) > V P σ m (z) = 0, sev G V (z) V P Condutânci: G(z) = σ m(z)µw z 25 / 36

26 Condutividde do Como Funcion? Pr V P < 0 e Pr 0 < V P < V C e Pr V P > V C e Pr V P > V C e V F D < V P V C Pr V P > V C e V F D = V P V C Pr V P > V C e V F D > V P V C Cpcitor Tensão Crític Esquem de ligção Condutividde do Condutividde do Tipos de MOSFET Resultdos Experimentis Pel Lei de Ohm: I d = G(z) V = σ m (z)µw V z Integrndo sobre lrgur do cnl: Finlmente: I d L 0 = ǫ oxµw LT ox VD V S [V G V (z) V P ]dv I d = ǫ oxµw LT ox [ (VG V P ) (V D V S ) 1 2 ( V 2 D V 2 S )] Circuitos Integrdos 26 / 36

27 Tipos de MOSFET Como Funcion? Pr V P < 0 e Pr 0 < V P < V C e Pr V P > V C e Pr V P > V C e V F D < V P V C Pr V P > V C e V F D = V P V C Pr V P > V C e V F D > V P V C Cpcitor Tensão Crític Esquem de ligção Condutividde do Condutividde do Tipos de MOSFET Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos 27 / 36

28 Como Funcion? Resultdos Experimentis Resultdos Experimentis Dispositivos Circuitos Integrdos Resultdos Experimentis 28 / 36

29 Resultdos Experimentis Como Funcion? Resultdos Experimentis Resultdos Experimentis Dispositivos Comprimento L = 12, 7µm; Lrgur W = 127µm; Espessur T ox = 1000Å; Tensão de pinch-off 2V. Dispositivo fbricdo com 5ohm cm silício tipo p. Circuitos Integrdos 29 / 36

30 Resultdos Experimentis Como Funcion? Resultdos Experimentis Resultdos Experimentis Dispositivos Circuitos Integrdos 30 / 36

31 Dispositivos Como Funcion? Resultdos Experimentis Resultdos Experimentis Dispositivos Circuitos Integrdos 2200 trnsistores por polegd qudrd; Corrente pós sturção; Flh d condição de Shockley; Multiplicção dos Crregdores de lto cmpo; Equilíbrio térmico entre os terminis. 31 / 36

32 Como Funcion? Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos Circuitos Integrdos Trnsistores por processdor Agrdecimentos Circuitos Integrdos 32 / 36

33 Circuitos Integrdos Como Funcion? Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos Circuitos Integrdos Trnsistores por processdor Agrdecimentos Formdo por trnsistores, diodos, resistores e cpcitores; Fbricdos n mesm pstilh de semicondutor e interligdos por filmes metálicos; 1958, Jck Kilby produz o primeiro circuito integrdo gnhndo o nobel de físic no no Lei de Moore. Tipos de CI: Anlógicos: mplificdores, reguldores de voltgem e chves. Digitis: microprocessdores e memóris Sobre s memóris Atulmente us-se trnsistores do tipo MOSFET, no qul o cpcitor crregdo represent o bit 1 e o descrregdo represent o bit / 36

34 Circuitos Integrdos Como Funcion? O mis novo processdor d Intel us um composto com háfnio como elemento isolnte. Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos Circuitos Integrdos Trnsistores por processdor Agrdecimentos 34 / 36

35 Trnsistores por processdor Como Funcion? Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos Circuitos Integrdos Trnsistores por processdor Agrdecimentos Intel Intel Intel Intel Intel Intel Pentium III Intel AMD K AMD Core 2 Duo Intel Cell Sony/IBM/Toshib GT NVIDIA 35 / 36

36 Agrdecimentos Como Funcion? Resultdos Experimentis Circuitos Integrdos Circuitos Integrdos Trnsistores por processdor Agrdecimentos OBRIGADO A TODOS 36 / 36

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