Microeletrônica. Aula 7. Prof. Fernando Massa Fernandes. Sala 5017 E.

Transcrição

1 Microeletrônica Aula 7 Prof. Fernando Massa Fernandes Sala 5017 E fermassa@lee.uerj.br (Prof. Germano Maioli Penello)

2 Resistor (poço-n) Além de ser usado como o corpo do PMOS, o poço pode ser usado como um resistor. Se as tensões nos terminais do resistor forem maiores que a tensão do substrato, podemos evitar que o diodo parasítico seja polarizado diretamente.

3 Diodo parasítico Um poço-n num substrato tipo-p forma um diodo Para evitar que este diodo seja polarizado diretamente (conduza corrente), o substrato é normalmente o ponto de menor tensão do circuito (aterrado). Idealmente, não existe corrente fluindo no substrato.

4 Resistência Além de servir como base para o transistor PMOS, o poço-n também é utilizado para criar resistores. Lembrando: ρ resistividade σ= 1 condutividade ρ A resistência de um material depende de propriedades intrínsecas do material e da sua geometria. Propriedade do mateiral: Resistividade Geometria: Comprimento e área de seção reta

5 Resistência Além de servir como base para o transistor PMOS, o poço-n também é utilizado para criar resistores. A espessura t de um processo CMOS é normalmente fixa, mas o comprimento L e a largura W são determinados pela máscara do leiaute. Podemos controlar L e W, e com isso fabricar um resistor com o valor desejado. E o fator de escala? O valor projetado não é alterado pelo fator de escala!

6 Resistência de folha Uma grandeza comum é a resistência de folha de um material. Ela é utilizada em sistemas de filmes finos e implica que o fluxo de corrente se dá ao longo do plano da folha, e não perpendicular a ela. Unidade de Rs : /sq ou / Esta unidade serve para evitar a confusão entre a resistência de folha e a resistência Ex. Um quadrado com Rs = 100 /sq tem resistência de 100. Um retângulo de lado 1 e comprimento 3 do mesmo material tem resistência de 300

7 Resistor de poço-n Detalhe do Layout Esta é a seção reta de um resistor de poço-n após as divesas etapas de processamento.

8 Resistência-Semicondutor Pontos importantes: Aumentar o número de buracos ou elétrons aumenta a condutividade do material σ= 1 =e ( μ n n+μ p p ) ρ A dopagem controla o numero de portadores e modifica o nível de Fermi!

9 Concentração de portadores Energia de Fermi À temperatura ambiente (~300K) em um Si intrínseco, Só existe um par elétron/buraco a cada ~1012 átomos de Si E g ( Si ) = 1,12 ev No Si intrínseco (não-dopado) a energia de Fermi é no meio do GAP. Vários aplicativos em:

10 Resistência-Semicondutor Pontos importantes: Aumentar o número de buracos ou elétrons aumenta a condutividade do material σ= 1 =e ( μ n n+μ p p ) ρ 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, Ids. 2 μn ( Si )=1450 cm / ( V. s ) 2 μ p ( Si )=500 cm / ( V. s )

11 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) A dopagem aumenta a condutividade porque agora há mais portadores disponíveis para realizar 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 é governada pela Lei de ação das massas (semicondutor não-degenerado) No semicondutor dopado (Nd >> ni) N d >>p ρ= 1 e. μn. N d

12 Tempo de vida do portador Quando a temperatura aumenta, o semicondutor absorve calor. Elétrons na banda de valência ganham energia para serem excitados 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 portador tt. (valor rms do tempo que o elétron passa na banda de condução)

13 Exemplo Pouquíssimos buracos! Note que com ND = 1018, a aproximação de que começa a não ser muito boa. Quando ND ~ NSi, o material é chamado de degenerado. Materiais degenerados não seguem mais a lei de ação das massas.

14 Energia de Fermi (Junção pn) Ao criar uma junção pn, como fica a estrutura de banda da junção? Junção pn

15 (Junção pn) Elétrons livres do lado n e buracos livres do lado p se recombinam na junção. Essa região livre de elétrons livres e buracos livres é chamada de região de depleção.

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

17 Diodo As características DC de um diodo são dadas pela equação de Shockley do diodo ID corrente no diodo IS Corrente de saturação Vd Tensão no diodo VT Tensão térmica 300K) n coeficiente de emissão (relacionado com o perfil de dopagem)

18 Diodo Ao construir um poço-n, criamos uma junção pn (um diodo) entre o poço-n e o substrato. As junções pn têm uma capacitância parasítica de depleção. 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.

19 Capacitância parasítica A capacitância de depleção pode ser modelado pela equação Cj0 capacitância sem tensão aplicada na junção VD tensão aplicada no diodo m coeficiende de gradação (grading coefficient) Vbi potencial intrínseco Essa capacitância de depleção é importante apenas quando a junção está polarizada reversamente. Quando polarizada diretamente, uma outra capacitância parasítica prevalece (capacitância de difusão).

20 Exemplo

21 Exemplo

22 Exemplo Calcular o potencial intrínseco Vbi Calcular a capacitância do fundo (como?) Calcular a capacitância da lateral Calcular a capacitância total

23 Exemplo Calcular o potencial intrínseco Vbi Calcular a capacitância do fundo Calcular a capacitância da lateral Calcular a capacitância total

24 Exemplo

25 Exemplo

26 Exemplo Profundidade Perímetro lateral

27 Exemplo Capacitâncias em série ou em paralelo?

28 Exemplo

29 Exemplo

30 Exemplo Aqui apresentamos o resultado da capacitância apenas na polarização reversa (VD negativo). Quando o diodo é polarizado diretamente, os portadores minoritários formam uma capacitância de difusão muito maior que a de depleção!

31 Capacitância parasítica Capacitância de difusão Na polarização direta, elétrons do lado n são atraídos para o lado p (buracos do lado p são atraídos para o lado n) Após passarem a junção, os portadores difundem em direção aos contatos metálicos. Se o portador recombina antes de chegar no contato, este diodo é chamado de diodo de base longa. Se ele chega ao contato, esse diodo é chamado de base curta.

32 Capacitância parasítica Capacitância de difusão O tempo de vida do elétron ( T) é o tempo que leva para o elétron difundir da junção até ele se recombinar. Este tempo é da ordem de 10 s no silício. A capacitância de difusão é formada pelos portadores minoritários que difundem nos lados da junção. Como discutido, ela claramente depende do tempo de vida dos portadores.

33 Capacitância parasítica Capacitância de difusão A capacitância de difusão pode ser caracterizada como: Modelo útil para análise de sinais pequenos AC. Em aplicações digitais estamos mais interessados em chaveamento de sinais altos. Em geral, em processos CMOS não desejamos ter diodos polarizados diretamente. Diodos polarizados diretamente são considerados problemas!

34 Atraso RC por um poço-n Vimos até agora que o poço-n pode ser usado como um diodo em conjunto com o substrato e como um resistor. Como toda junção pn tem uma capacitância parasítica, ao analisar o resistor, temos que incluir essa capacitância nos cálculos.

35 Atraso RC por um poço-n Este é a forma básica de uma linha de transmissão RC! Ao aplicar um pulso de tensão na entrada, após um determinado tempo (tempo de atraso) o pulso aparecerá na saída.

36 Atraso RC por um poço-n Como se chega nesta equação? Linha de transmissão = Squência de elementos RC IMPORTANTE EM CIRCUITOS DIGITAIS

37 Atraso RC por um poço-n

38 Atraso RC por um poço-n

39 Atraso RC por um poço-n IMPORTANTE EM CIRCUITOS DIGITAIS

40 Atraso RC por um poço-n Tempo de atraso do circuito Tempo de subida IMPORTANTE EM CIRCUITOS DIGITAIS

41 Atraso RC por um poço-n Passa alta ou passa baixa? Olhe o gráfico Tempo de atraso do circuito Tempo de subida IMPORTANTE EM CIRCUITOS DIGITAIS

42 Atraso RC por um poço-n Analisamos um simples circuito RC. O modelo de resistência inclui diversos circuitos RC acoplados. Como analisar?

43 Atraso RC por um poço-n Analisamos um simples circuito RC. O modelo de resistência inclui diversos circuitos RC acoplados. Como analisar? Atraso até o ponto A (tempo de carga do capacitor)

44 Atraso RC por um poço-n Analisamos um simples circuito RC. O modelo de resistência inclui diversos circuitos RC acoplados. Como analisar? Atraso até o ponto B (tempo de carga do capacitor até o ponto A + até o ponto B)

45 Atraso RC por um poço-n Analisamos um simples circuito RC. O modelo de resistência inclui diversos circuitos RC acoplados. Como analisar? Atraso até o ponto C (tempo de carga do capacitor até o ponto A + até o ponto B + até o ponto C)

46 Atraso RC por um poço-n Analisamos um simples circuito RC. O modelo de resistência inclui diversos circuitos RC acoplados. Como analisar? Para um número l de segmentos:

47 Atraso RC por um poço-n Analisamos um simples circuito RC. O modelo de resistência inclui diversos circuitos RC acoplados. Como analisar? Para um número l de segmentos: Soma de l termos com incremento 1 (Gauss fez isso quando era criança! ) Se l >> 1

48 Exemplo Simulado no spice

49 Tempo de subida Uma análise similar pode ser feita para determinar o tempo de subida em uma linha de transmissão RC 69 ns Com os dados do exemplo anterior, obtemos 69 ns para o tempo de subida

50 Trabalho 1 Divisor de tensão Prazo: Até 18/05 (Não será aceita entrega fora do prazo) Utilizar o tutorial da página cmosedu.com:

51 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

52 Projeto de CI Ajustando Electric + LTSpice:

53 Projeto de CI Sistema Live: UbuntUERJ_beta Sistema operacional (Live) para rodar direto do DVD ou pendrive Electric e Ltspice pré-configurados

54 Electric VLSI Design System Comandos para configuração do Java 3D no Linux: (Baixar os cinco arquivos.jar e instalar no java) (A instalção do Electric a partir do gerenciador synaptic elimina essa etapa) Configuração do Electric para gerar o arquivo do LTSpice por meio do Wine. Configuração -> Tools -> Spice/CDL Run program: env WINEPREFIX="/home/alunouerj/.wine" wine C:\\Program\ Files\\LTC\\LTspiceXVII\\XVIIx86.exe With args: -i ${FILENAME} -r ${FILENAME_NO_EXT}.raw -o ${FILENAME_NO_EXT}.out