Lucas Pinheiro Corrêa RELATÓRIO DE MICROELETRÔNICA

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1 Lucas Pinheiro Corrêa RELATÓRIO DE MICROELETRÔNICA Universidade Federal da Paraíba Centro de Informática 27 de outubro de 2011

2 SUMÁRIO INTRODUÇÃO FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA RESISTORES CAPACITORES CIRCUITOS RC DIODOS SEMICONDUTORES TRANSISTORES TRANSISTORES FET TRANSISTORES MOSFET TECNOLOGIA CMOS PORTAS LÓGICAS INVERSORA(NOT) AND NAND GRAAL COUGAR...19

3 INTRODUÇÃO Este relatório introduzirá, a princípio, os conceitos básicos de componentes fundamentais da eletrônica, tais como resistores, capacitores, circuitos integrados entre resistores e capacitores, etc. Em seguida, irá introduzir as ferramentas do Alliance CAD (Graal, Cougar), assim como o Spice Opus, e as utilizará para simular o desempenho de um inversor.

4 1. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 1.1.RESISTORES Resistores são definidos, por convenção, como componentes feitos de qualquer material com a característica de dificultar a passagem da corrente elétrica, provocando assim uma ligeira queda na tensão do circuito elétrico, mas nunca provocando a queda ou a interrupção na corrente elétrica em si. Isso significa que a mesma intensidade de corrente elétrica que entra pelo resistor é a mesma intensidade que sai dele. Esses aspectos são úteis principalmente para controlar a corrente elétrica no circuito, e, no meio do processo, obter energia térmica, uma vez que, enquanto a corrente elétrica passa pelo resistor, parte da energia elétrica se dispersa em forma de calor (energia térmica). Exemplo de resistor

5 A fim de estudar os resistores, usa-se uma grandeza para medir a oposição que ele impõe à corrente elétrica, a resistência, representada pela unidade Ω (ohm). Existem algumas fórmulas para obter o valor da resistência, sendo a principal delas a Primeira Lei de Ohm: U = R.I (Onde R representa a resistência, U representa a tensão elétrica, e I representa a intensidade da corrente elétrica) Existem dois tipos de resistores: o ideal, onde a resistência permanece constante durante todo o funcionamento da corrente elétrica, e o variável podendo também ser chamado de reostato ou potenciômetro, onde a resistência varia de acordo com o usuário. Para cada um dos tipos há uma representação diferente, como se segue: Resistor ideal Resistor variável

6 Vários materiais podem ser usados como resistores, sendo o principal dele o Carbono, visto que é um semicondutor, tornando-se assim o mais eficiente material na fabricação de resistores. Os metais não são muito usados, pois são condutores, e facilitam a passagem da corrente elétrica, sendo assim não muito útil para oferecer resistência a ela. A propriedade que cada material possui nesse quesito chama-se resistividade, e é útil para se obter outra fórmula para descobrir a resistência de um circuito, sabendose as propriedades do material usado para a fabricação do resistor. Esta fórmula chama-se Segunda Lei de Ohm: R = (ρ.l).a (Onde R representa a resistência, ρ representa a resistividade, L representa o comprimento do resistor e A representa a área de sua seção transversal)

7 1.2.CAPACITORES Capacitores são componentes elétricos que possuem a função de armazenar energia (carga) em um campo elétrico no seu interior, carregando-se completamente quando a tensão torna-se constante, liberando a carga logo após o fim da resistência entre seus terminais (descarga). Existem várias formas de capacitores, mas a mais comum delas é aquela em que há duas placas paralelas de material condutor, com cargas opostas, separadas por um material isolante, ou dielétrico. Esquema de um capacitor, com ênfase no campo elétrico

8 Outra variação nos tipos de capacitores consiste no material com que as suas placas são feitas. Há os mais precisos, feitos de cerâmica e de poliéster, onde a leitura da capacitância pouco varia (entre 1pF e 1mF), e há também os eletrolíticos, onde há menos precisão (variação entre 1nF e 12F). Para estudar os capacitores, utiliza-se a grandeza capacitância, cuja unidade é o F (farad), que pode ser encontrada através da fórmula: C = Q/V (Onde C representa a capacitância do material utilizado no capacitor, Q representa a carga nele depositada e V representa a tensão elétrica a ele submetida) Um aspecto importante sobre capacitores é estudar e entender os processos de carga e descarga. Para isso, usa-se uma função exponencial, e seu comportamento pode ser melhor compreendido ao se analisar a curva de carga e descarga do capacitor:

9 1.3.CIRCUITOS RC Circuitos RC são definidos como circuitos resistivo-capacitivos. Em outras palavras, são circuitos formados por componentes que oferecem resistência e outros que oferecem capacitância, podendo estar associados de qualquer forma (em série ou em paralelo). Esquema de circuito RC, com ênfase no funcionamento do capacitor ao longo do tempo O funcionamento do circuito começa quando este é alimentado por uma fonte de corrente contínua. No início, com o capacitor descarregado, a corrente flui através dele com a resistência tendendo a zero. À medida que o tempo vai passando, o capacitor vai se carregando, e a resistência vai aumentando exponencialmente, até não haver mais nenhuma passagem de corrente elétrica.

10 1.4.DIODOS SEMICONDUTORES Diodos são, a grosso modo, componentes formado por cristais semicondutores preferenciavelmente de silício ou de germânio que só permitem a passagem de corrente elétrica em um sentido. Caso a corrente passe no sentido em que se encontra, pode-se dizer que o diodo está diretamente polarizado. Caso contrário, ele está inversamente polarizado. O silício e o germânio comportam-se naturalmente como materiais isolantes, mas através de um processo chamado dopagem basicamente consiste em misturar impurezas a um cristal de qualquer um desses materiais é possível usá-los como condutores para o diodo. Esquema representativo da polarização de um diodo convencional

11 Um diodo é composto por dois tipos de material semicondutor, um P e um N. Como a figura indica, o trecho P consiste no pólo positivo do diodo, o cátodo, onde há falta de elétrons; e o trecho N representa o pólo negativo, o ânodo, onde há excesso de elétrons. Se o circuito acima for ligado, a corrente não passará pelo diodo, pois os elétrons negativos no trecho N são atraídos para o terminal positivo da bateria e as lacunas positivas no trecho P são atraídas para o terminal negativo da bateria. Mas, se a bateria for invertida, ocorre ótima condução de eletricidade através do diodo, pois os elétrons livres do trecho N serão repelidos pelo pólo negativo da bateria, assim como as lacunas do trecho P serão repelidas pelo pólo positivo da mesma. Eles se encontrarão, os elétrons preencherão as lacunas, e ambos deixarão de existir, surgindo assim novos elétrons e novas lacunas, deixando assim a corrente fluir livremente através do diodo. Pode-se estudar melhor o comportamento progressivo do diodo através de seu gráfico: Curva característica do funcionamento de um diodo corretamente polarizado

12 1.5.TRANSISTORES Pode-se definir um transistor como um elemento eletrônico que tanto pode otimizar os pulsos elétricos, quanto impedir sua passagem através do circuito. Esses processos de impedância e de ganho de sinal são definidos de acordo com a polarização do transistor. Exemplos de transistores TRANSISTORES FET Transistores de Efeito de Campo são elementos semicondutores através do efeito de um campo elétrico em sua junção. Tem um grande poder de amplificação de sinais elétricos, assim como um ótimo atuante na impedância dos mesmos.

13 1.5.2.TRANSISTORES MOSFET Transistores de Efeito de Campo MOS (Metal Oxide Semiconductor) são variações dos transistores FET tradicionais, com uma diferença na fabricação. Estes passam por um processo que o deixam com uma fina camada de óxido de metal. Dependendo de qual metal semicondutor seja utilizado, pode-se chamar o transistor de PMOSFET ou NMOSFET. Representação esquemática de um transistor NMOS Representação esquemática de um transistor PMOS Acima pode-se observar os dois tipos de transistores MOS. Eles são compostos de uma entrada (G), uma alimentação oriunda de uma fonte de corrente, a source(s) e o aterramento, o ground, ou drain(d). A diferença entre um NMOS e um PMOS é que suas reações serão completamente opostas ao receber um pulso: um NMOS só conduzirá se estiver sob tensão positiva, e um PMOS só conduzirá se estiver sob tensão negativa.

14 1.5.3.TECNOLOGIA CMOS A tecnologia CMOS são feitos da combinação entre transistores NMOS e transistores PMOS. Corte lateral de um transistor CMOS O processo de fabricação de um transistor NMOS se inicia sobre um substrato feito de um wafer de silício monocristal com dopagem de impurezas do tipo P. Depois adiciona-se uma fina camada de óxido de silício acima do substrato. Esse óxido servirá para proteger o substrato de futuras dopagens, e também atuará como um isolante.

15 Em seguida, cobre-se o óxido com um material fotorresistente, para depois bombardeá-lo com radiação ultravioleta através de uma máscara (Fotolitografia). Ao atingir esse material, sua composição se modifica. Depois, o material fotorrresistente não atingido pela luz é retirado. Ao final, o material semicondutor é exposto a uma solução de gravação química que marca a superfície não protegida pelo material fotorresistente, criando o molde do circuito desejado da lâmina. Repete-se os processos de fotolitografia e remoção até serem moldadas as regiões correspondentes ao drain e ao source do transistor. Nessas regiões, ocorre a deposição de metal para se obter os terminais do drain, do source e do transistor. Esquema da fabricação CMOS - parte 1 Esquema da fabricação CMOS - parte 2

16 1.6.PORTAS LÓGICAS Portas lógicas são dispositivos feitos para manipular sinais elétricos de entrada de forma a gerar um sinal elétrico de saída. Podem variar de acordo com o tipo de transistores utilizados na composição INVERSORA (NOT) A porta NOT é a porta mais simples que pode ser utilizada em um circuito. Sua função é inverter a entrada única: se ela receber um sinal 1, ela retornará um sinal 0 de saída, e vice-versa. Isso se deve à disposição dos transistores N e P empregados: Como mostra o diagrama, há um transistor P ligado diretamente à alimentação(vdd), e um transistor N ligado ao aterramento(gnd/vss). Isso significa que quando o circuito é submetido a uma tensão positiva(1), o transistor P não conduzirá o pulso, e a saída será 0. O inverso ocorre caso o circuito seja Esquema de uma porta inversora usando transistores submetido a uma tensão negativa(0).

17 1.6.2.AND A porta AND tem a função de retornar o mesmo sinal das entradas, se e somente se todas as entradas tiverem o mesmo sinal. Caso os sinais de entrada sejam diferentes, a porta retornará 0, por padrão. Esta porta suporta no mínimo duas entradas, sendo esse número fator determinante na nomenclatura da porta. Por exemplo, caso ela admita duas entradas, será chamada de AND2, caso admita três, será AND3, e assim sucessivamente NAND A porta lógica NAND tem o papel equivalente a uma porta AND seguida de uma porta inversora, assim que a saída dessa porta será o inverso de uma porta AND. A nomenclatura segue o mesmo padrão da porta AND. Tabela-verdade da porta NAND Tabela-verdade da porta AND

18 3.GRAAL O Graal é uma ferramenta muito utilizada para montar o design das placas de molde usadas nas dopagens feitas na fabricação das portas lógicas. Para explicar o seu funcionamento, desenharemos um inversor. Para isso, seguem-se os passos: Cria-se um Abutment Box de dimensões 15x25 lambdas; Adiciona-se um poço N na metade superior da caixa; Adiciona-se trilhas de Alu1 com 6 lambdas de largura, tanto no topo, quanto na base da figura; Adiciona-se uma via Ntie no poço N, do lado direito da caixa, assim como uma via Ptie na base da mesma, também do lado direito; Adiciona-se conectores Ntie e Ptie em suas respectivas vias, assim como do lado esquerdo das trilhas de Alu1; Adiciona-se um transistor P abaixo do poço N, e um transistor N pouco acima da base da caixa; Liga-se os transistores com uma trilha de Poly; Emparelha-se a trilha de Poly com duas trilhas de Alu1, uma de cada lado;

19 Cria-se um conector de Poly na trilha de Poly, para que sirva de entrada no meio externo, e conectores de Vdd e Vss nas extremidades da caixa.

20 4.COUGAR O Cougar é uma ferramenta utilizada para converter o componente formado no Graal para um arquivo.spi, pronto para ser lido pelo Spice Opus. Para isso, deve-se digitar os seguintes comandos no terminal: $ export MBK_OUT_LO=spi $ cougar t ac <nome do arquivo> Após isso, se o desenho do inversor estiver correto, haverá um arquivo descrevendo-o na pasta onde o comando foi dado, com o formato.spi: * INTERF vdd vss x y.subckt proj * NET 1 = x * NET 2 = vdd * NET 3 = y * NET 4 = vss Mtr_ tp L=1U W=6U AS=12P AD=12P PS=16U PD=16U Mtr_ tn L=1U W=5U AS=10P AD=10P PS=14U PD=14U C e 14 C e 14 C e 14 C e 14.ends proj1

21 Agora iremos criar um circuito, em um arquivo.cir:.include proj1.spi x proj41.model tp pmos level=54.model tn nmos level=54 v v v v v dc.dc v v end V(40). Então, emularemos o circuito no Spice Opus e plotaremos os nós V(30) e