Microeletrônica. Germano Maioli Penello.

Transcrição

1 Microeletrônica Germano Maioli Penello Sala 5145 (sala 17 do laboratorio de engenharia elétrica) 1

2 Pauta (14/04/2015) ÁQUILA ROSA FIGUEIREDO ALLAN DANILO DE LIMA DAVID XIMENES FURTADO HUGO LEONARDO RIOS DE ALMEIDA JEFERSON DA SILVA PESSOA LAIS DA PAIXAO PINTO LEONARDO SOARES FARIA PEDRO DA COSTA DI MARCO VINICIUS DE OLIVEIRA ALVES DA SILVA Isadora Thiago Nascimento Oliveira 2

3 Diodo As características DC de um diodo são dadas pela equação de Shockley do diodo ation/pn/iv/index.html 3

4 Diodo As características DC de um diodo são dadas pela equação de Shockley do diodo I D corrente no diodo I S Corrente de saturação V d Tensão no diodo V T Tensão térmica 300K) n coeficiente de emissão (relaciando com o perfil de dopagem) 4

5 Metal semicondutor - isolante Estrutura da bandas 5

6 Semicondutor Pontos importantes: Aumentar o número de buracos ou elétrons aumenta a condutividade do material Mobilidade (facilidade de se mover no cristal) do elétron é maior do que a do buraco PONTO IMPORTANTE! As mobilidades do buraco e do elétron são diferentes, isto afeta o tamanho dos MOSFETs. NMOS são menores que PMOS para que eles tenham a mesma capacidade de corrente, I ds. 6

7 Tempo de vida do portador Quando a temperatura aumenta, o semicondutor absorve calor. Elétrons na banda de valência ganham energia para serem ecitados pra banda de condução. Note a importância de Eg no semicondutor! Esta excitação de elétrons da banda de valência para a banda de condução é chamada de geração. Quando o elétron volta da banda de condução para a banda de valência, isto é chamado de recombinação. O tempo que o elétron passa na banda de condução antes de recombinar (voltar para a banda de valência) é aleatório. Ele é caracterizado pelo tempo de vida do portadort T. (valor rms do tempo que o elétron passa na banda de condução) 7

8 Concentração de portadores O tempo de vida do portador é um parâmetro muito importante no projeto de circuitos integrados. Outro parâmetro importante é o número de elétrons na banda de condução ou de buracos na banda de valêncai (chamada de concentração de portadores). À temperatura ambiente (~300K), o número de portadores intrínsecos no Si é de n i = 14.5 x 10 9 cm -3 (n i - portadores intrínsecos) Unidade em número de portadores por volume. Nesta situação, qual o número de elétrons livres (elétrons excitados na banda de condução)? Qual o número de buracos? 8

9 Concentração de portadores À temperatura ambiente (~300K) em um Si intrínseco, n elétrons livres p buracos Pode parecer um número grande, mas é baixo se comparado ao número de átoms de Si no cristal (N Si = 50 x cm -3 ) Só existe um par elétron/buraco a cada ~10 12 átomos de Si 9

10 Dopagem A dopagem é feita para alterar as propriedades elétricas do semicondutor. Dopante tipo p? B (coluna III da tabela periódica) Dopante tipo n? P (coluna V da tabela periódica) Se doparmos o semicondutor com um número muito maior do que o número de portadores intrínsecos, podemos fazer a seguinte aproximação. No caso de dopagem com excesso de elétrons, o número de elétrons livres, n, no material é Semicondutor dopado do tipo-n Por que N Si >> N D? 10

11 Dopagem A dopagem aumenta a condutividade porque agora há mais portadores disponíveis para realziar a condução. No semicondutor tipo-n esse excesso é de elétrons. No semicondutor tipo-p esse excessor é de buracos. É de se imaginar que, se o número de elétrons aumenta com a dopagem, o número de buracos no mesmo material diminua. Por que? Essa relação entre elétrons, buracos e número de portadores intrínsecos é governada pela Lei de ação das massa 11

12 Exemplo Pouquíssimos buracos! Note que com N D = 10 18, a aproximação de que começa a não ser muito boa. Quando N D ~ N Si, o material é chamado de degenerado. Materiais degenerados não seguem mais a lei de ação das massas. 12

13 Energia de Fermi A diferença de energia entre E i e E f é dada por Percebemos com estas equações que a dopagem controla o nível de Fermi! 13

14 Energia de Fermi (Junção pn) Ao criar uma junção pn, como fica a estrutura de banda da junção? Junção pn (Reveja eq. do slide 43) 14

15 Junção pn (diodo) Para que exista o fluxo de corrente em um diodo, devemos aplicar uma tensão que se aproxima de V bi. Aplicativo: Analise qual é o lado pe qual é o lado n da junção. 15

16 Capacitância parasítica Uma região de cargas fixas positivas e cargas fixas negativas pode ser analisada como placas de um capacitor! Essa capacitância parasítica é chamada de capacitância de depleção ou de junção. 16

17 Capacitância parasítica A capacitância de depleção podese ser modelado pela equação C j0 capacitância sem tensão aplicada na junção V D Tensão no diodo m coeficiende de gradação (grading coefficient) V bi potencial intrínseco 17

18 Exemplo 18

19 Exemplo Aqui apresentamos o resultado da capacitância apenas na polarização reversa (V D negativo). Quando o diodo é polarizado diretamente, os portadores minoritários formam uma capacitância de difusão muito maior que a de depleção! Veremos isso na próxima aula 19

20 Trabalho para a semana depois do feriado Projete um resistor de 250 kω usando um poço-n num padrão de serpentina. O comprimento máximo de cada segmento é de 100 e a resistência de folha é de 2 kω/sq. Confira as regras de design do resistor! Se o fator de escala for de 50 nm, estime o tamanho do resistor fabricado. Programa gratuito para criar leiautes e esquemáticos. Simula o leiaute em conjunto com o SPICE. Façam este exercício seguindo as regras de design do programa! Me apresentem os resultados na aula depois do feriado. Farei perguntas sobre o software e sobre as regras de design do programa. Utilizem a tecnologia MOCMOS que segue a regra de design do MOSIS. 20

21 Electric VLSI Design System 21

22 Electric VLSI Design System Software open-source para design de circuitos, leiautes e mais Computer aided design uso de computador para auxiliar a criação, modificação análise e optimização de um projeto 22

23 Electric VLSI Design System Software open-source para design de circuitos, leiautes e mais Computer aided design uso de computador para auxiliar a criação, modificação análise e optimização de um projeto Pode ser usado em conjunto com o LTSpice 23