Tecnologias de Circuitos Integrados

Transcrição

1 Tecnologias de Circuitos Integrados Tecnologias de Circuitos Integrados MOS-CMOS MOSFET (Metal Oxide Silicon Field Effect Field) nmos (N-type MOS) pmos (P-type MOS) CMOS (Complementary - type MOS) Manoel Eusebio de Lima Greco-CIn-UFPE Características: O tipo nmos é composto por substrato de silício do tipo p, fracamente dopada, e duas áreas (drain e source) do tipo n fortemente dopadas. difusão no silício é feita com a adoção de elementos doadores de elétrons, como rsênio e Fósforo. s cargas majoritárias nos transistores tipo nmos são elétrons Este tipo de transistor conduz o sinal 0 lógico forte e o sinal 1 lógico fraco. Polisilício Difusão Dreno (difusão) condutores Gate (polisilício) Fonte (difusão) Cristal de Germânio c/impurezas doadoras Elemento dopante (5 elétrons de valência Sb ntimônio, Fósforo, rsênio) 5 elétron livre Sb difusão difusão W = comprimento do canal L = tamanho do canal Um transistor nmos Vista em corte Óxido de Silício metal contato Vista de cima Polisilício metal Transistor pmos Características: O tipo pmos é composto por substrato de silício do tipo n-well, fracamente dopada, e duas áreas (drain e source) do tipo p fortemente dopadas. difusão no silício é feita com a adoção de elementos doadores de buracos (falta de elétrons), com o Índio, oro. s cargas majoritárias nos transistores tipo pmos são buracos. Este tipo de transistor conduz o sinal 1 lógico forte e o sinal 0 lógico fraco. Cristal de Germânio c/impurezas aceitadoras contato Source gate drain Elemento dopante (3 elétrons de valência In-Indium Indium, oro) buraco In 3 simbologia 1 1

2 Transistor pmos contato p-mos - tipo de transistor MOS composto de um moderado substrato de silício tipo n com duas áreas de difusão fortemente dopadas tipo p (p+) (fonte e dreno). difusão difusão nmos Vgs cria o canal Vgs + - Capacitor MOS modos de operação Depleção cumulação + - Inversão - Funcionamento Transistor polarizado sem condução de corrente elétrica, na região de corte V gs = 0 V Vth (tensão de limiar) é a tensão na qual o V ds = 0 V dispositivo MOS começa a a conduzir ( turn( on ). Vds é a tensão entre o dreno e a fonte do * V 0.2VDD dispositivo. -sem camada de inversão no canal - I ds = 0 - Funcionamento Transistor na região linear ou resistiva V ds < V gs - V - fraca camada de inversão no canal - I ds depende de V gs e V ds fonte dreno I ds aumenta com V ds (similar a um resistor linear) 2 2

3 - Funcionamento - Funcionamento I ds aumenta com V ds (similar a um resistor linear) Transistor na região de saturação V ds > V gs V, V gd < V th (tensão de limiar) - forte camada de inversão no canal - I ds independe de V ds, a corrente satura (fonte de corrente) Corrente de avalanche canal O O canal é estrangulado Eletrons fluindo através de um transistor de sílicio Transistor MOS - operação Corte Se V gs < V t, então I ds = 0 Linear Se V ds < ( V gs -V t ), então I ds depende dos valores V ds e V gs Saturado Se V ds > (V gs -V t ), então I ds não depende de V ds. I ds é essencialmente constante. Características Tensão - Corrente (Vds-s) Região linear Região de saturação, Região corte Características de condução de transistores MOS Transistores MOS vistos como Switches (alta) (depleção) > > 3 3

4 Fabricação de Circuitos VLSI Criação Definir Etch (produzir o desenho do circuito desejado através de máscaras) Pastilhas de silício Formação de material por deposição, difusão ou implantação Definição dos circuitos por litografia Passos simplificados na confecção do SiO 2 Foto-resistor SiO 2 Luz UV Máscara de vidro Máscara (molde) Foto-resistor SiO 2 8 a 10 interações Etch Oxidação do gate molde do Poli-silício Difusão ou implante Cortes de contato molde da camada de alumínio SiO 2 Camada fina de óxido de silício Substrato de silício Poli-silício Difusão de impurezas SiO 2 por deposição Contatos de alumínio Características elétricas da tecnologia MOS Circuitos lógicos MOS dissipam uma pequena quantidade de potência em função das grandes resistências existentes nos dispositivos MOSFET. V in V in = 0V V dd =+5V a) Q1 - Ron(Q1) = 100 Kohms b) Q2 - Roff(Q2) Q1 (depletion) = Vdd Ron(Q1)+ (Q1)+Roff(Q2) 0.05n Potência Pd = 0.25 nw Q2 (enhancement) V in = +5V a) Q1 - Ron(Q1) = 100 Kohms b) Q2 - Ron(Q2) = 1 Kohms I d = V dd Ron(Q1)+ (Q1)+Ron(Q2) Potência P d = 0.25 mw 50 µ Vantagens da tecnologia MOS Simplicidade e baixo custo da fabricação dos transistores. Tamanho extremanente pequeno quando comparado a tecnologias tais como TTL e ECL. aixo consumo elétrico. Possuem uma melhor margem de ruído que bipolar. Fan-out bem maior que circuitos bipolares. Grande faixa de alimentação (3 a 15V). Todas as vantagens acima fazem com que seja possível acomodar em circuitos MOS uma grande quantidade de dispositivos. Desvantagens da tecnologia MOS aixa velocidade de operação quando comparada as famílias bipolares. Este fenômeno se deve a dois fatores: lta resistência de saída no estado lógico 1(alto). lta carga capacitiva normalmente presente nas entradas dos circuitos lógicos MOS. 4 4

5 Características elétricas da tecnologia CMOS Tecnologia CMOS é composta por dois tipos de transistores, um do tipo NMOS e outro do tipo PMOS. CMOS é mais rápido e consome menos potência que outros elementos da família MOS. Inversor CMOS V dd Layout vista de cima pmos Inversor CMOS V in V dd V out P-switch - pull-up up N-switch - pull-down V in V ss V out V in (gate) Terra nmos V ss Inversor CMOS Operação de um inversor CMOS 1- = Vdd nálise do circuito: s Vdd=+5V Roff Ron 0V Vdd Q1 Q2 Vss Cálculo de Vdd = s(roff+ron) => Vdd = s.roff+s.ron => Vdd = s.roff+ => = Vdd-s.Roff 0V Cload Ron < 1 Kohms Roff Kohms s é pequeno, mas Roff é bastante grande Característica estática de um inversor CMOS Note que V h = 5V, V L = 0V, e que I ds = 0. Isto significa que não existe praticamente dissipação de potência. Operação de um inversor CMOS 2- = 0V nálise do circuito: s Vdd=+5V Ron Roff 0V Vdd Q1 Q2 Vss Cálculo de Vdd = s(roff+ron) => Vdd = s.roff+s.ron => Vdd = +s.ron => = Vdd-s.Ron Vdd=5V Ron < 1 Kohms Roff Kohms s é muito pequeno Cload 5 5

6 Característica estática de um inversor CMOS Operação de um inversor CMOS Vdd P on N off P on on N on P off N on s n = - s p 0.5 Vdd Note que V h = 5V, V L = 0V, e que I ds = 0. Isto significa que não existe praticamente dissipação de potência. 0 Vth 0.5Vdd Vdd+Vtp Vtp Características elétricas da tecnologia CMOS dissipação de potência em circuitos CMOS embora seja muito pequena nas condições dc, aumentam com a freqüência de operação do circuito. Em altas freqüências os picos de corrente no chaveamento dos transistores tendem a ocorrer com mais freqüência e a corrente média fornecida por Vdd aumenta. Lógica CMOS Vdd Q1 I d (reversa) Q2 Cload Vss Podemos constatar que em alta freqüências CMOS começa a a perder vantagens sobre as outras famílias lógicas l Lógica Combinacional NND CMOS Porta NND saída P N ( 1 ) P (+) saída Dual LógicoL C Saída Porta NND de n-entradas n Saída ( ) N ( 0 ) C n 6 6

7 Lógica Combinacional Porta NOR N P P ( 1 ) N ( ) ( 0 ) saída (+) Dual LógicoL saída saída n C C n Saída NOR CMOS Transmission gate Transmission Gate nálise do transistor tipo N como pass transistor nálise do transistor tipo P como pass transistor nálise do transmission Gate CMOS Canal-N Canal-P Transistor tipo N como pass transistor Transistor tipo P como pass transistor V gs V in V out Canal-N CI Condição Inicial V out =0V (capacitor descarregado) φ = 0, V gs =0V, assim I ds = 0 m independente do valor de V in Quando φ= 1, = 1 e V gs = V dd o transistor começa a conduzir e a carregar o capacitor até V out ~ V dd. Como V in > V out, I ds flui da esquerda para a direita. V out tende a (V dd - V th ) e o transistor para a região de corte(turn off), com V gs < V th. O capacitor Cl permanecerá carregado quando φ = 0, portanto V out = V dd -V th. Conclusão: transmissão do nível logico 1 é degenerado quando ele passa através de um transistor tipo n-mos, ou seja V out V dd (V in ). No entanto, quando V in = 0, V gs =V dd e V out = 1 o capacitor descarrega através do transistor até V out = 0V, desde que a relação V gs >V th será sempre verdade. Ou seja, Transistor tipo n-mos é apropriado para transmitir nível lógico 0. Condição Inicial =0(capacitor descarregado) φ = 1, Vgs=Vdd, assim s = 0 m independente do valor de. Quando φ= 0, = 1 o transistor começa a conduzir e a carregar o capacitor até =Vdd. Como >, s flui da esquerda para a direita. vai para Vdd, sem degradação do sinal. O capacitor Cl permanecerá carregado quando φ = 1. Conclusão: Canal-P Vgs CI transmissão do nível logico 1 não é degenerado quando ele passa através de um transistor tipo p-mos, ou seja = Vdd(). No entanto, quando = 0 e = 1 o capacitor descarrega através do transistor até = Vtp, ponto no qual o transistor para de conduzir. Ou seja, um transistor tipo p-mos degrada o nível lógico

8 plicação com Flip-Flops Flip-Flop tipo D IN LD Q Q Multiplixador analógio CMOS (8 canais) Chaves CMOS/Transmission gates LD = 1 - carrega IN em Q LD = 0 - mantém m Q LD 8 8