CAPÍTULO 1 RESOLUÇÕES DOS EXERCÍCIOS PROPOSTOS

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1 CAPÍTULO RESOLUÇÕES DOS EXERCÍCIOS PROPOSTOS Exercício. R: Ver texto (página 9. Exercício. R: Ver texto (página 0. Exercício.3 R: a Mobilidade de electrões e lacunas: e E, h E F e E e( v e B - A grandeza da força para os electrões é Fe eex eveby - A grandeza da força para as lacunas é Fh eex evhby b Condutividade eléctrica: e h nee peh, como não há corrente =0, vem n/p= h / e =½. Exercício.4 R: a Ver equação (.. b Ver texto (página 5. Exercício.5 R: a Ver texto. Não, porque pode ter impurezas em que a concentração de dadores é igual à concentração de aceitadores. b A altas temperaturas, uma grande concentração dos electrões na banda de valência tendem a saltar para a banda de condução, logo a concentração de impurezas é desprezável face à passagem de grande quantidade electrões para a banda de condução ficando uma grande concentração de lacunas na banda de valência, logo n=p. c Ver texto (página 8. Exercício.6 R: Pela lei de Ohm J E, logo J ne e E pe h E sabendo que e nee e h pe h. Como e = h e p=4n vem J 3neeE. v e v h

2 Exercício.7 R: a Ver texto (página 0. b Ver texto (página 0. Exercício.8 R: e h nee peh a Como e h, então a condutividade é mínima quando as concentrações de n e p são baixas. b Como ii dopdop, onde: - i é a condutividade no estado intrínseco; - i é a resistividade no estado intrínseco; - dop é a condutividade no estado dopado; - dop é a resistividade no estado dopado. Vem i eni ( e h, pois n=p=n i. ne pe =4 0 3 e e +n i e, pois P (fósforo é dador, p=n i e n i a 300 K é dop e calculado pela equação (.. h Exercício.9 R: Para altas temperaturas, n i e crescem e estamos na região intrínseca. Na região entre 40 e 300 K estamos na região extrínseca. Abaixo de 40 K, os electrões estão congelados. Exercício.0 R: Ver texto (página. Exercício. R: O alumínio (Al é uma impureza aceitadora. Para T=300 K e n=0 vem R H =/(pe, com p=0 8. Para T=000 K estamos na região intrínseca (ver exercício.5, logo R H =(p. h -n. e /[e(n. e +p. h ] e n=p=n i, onde n i obtém-se da equação (..

3 CAPÍTULO RESOLUÇÕES DOS EXERCÍCIOS PROPOSTOS Exercício. R: Para > m o silício é transparente (Figura.4, mas para valores inferiores é possível fabricarem-se fotodíodos com a construção simples de junções pn. À medida que diminui dentro da região visível (começando na faixa correspondente ao vermelho, passando pelo amarelo e terminando no verde - Figura.3, também o coeficiente de absorção diminui. Significa isto que a profundidade de penetração dos fotões correspondentes também diminui. Para ser eficaz, a detecção de fotões correspondentes a maiores comprimentos de onda deve ser feita através de junções pn mais profundas. Usando três junções pn com profundidades diferentes é possível discriminar o tipo de cor. A junção mais profunda vai servir para detectar o vermelho, a menos profunda o azul e a intermédia o verde. Exercício. R: Ver texto (página 9. Membranas de SiN apresentam stress residual em tensão. Membranas de SiO apresentam stress compressivo. Exercício.3 R: Ver texto (página 5. Exercício.4 R: Evitar a presença de outros gases na câmara de deposição e a oxidação. Exercício.5 R: Ver texto (página 7. Exercício.6 R: São as forças a que está sujeito um material em repouso, o qual pode ser compressivo ou em tensão. O recozimento (annealing dos filmes finos ajuda a diminuir o stress residual. Exercício.7 R: Na oxidação térmica basta apenas introduzir oxigénio e aumentar a temperatura no interior de um forno, resultando na formação e no crescimento progressivo de uma camada de SiO sobre o silício. Filmes finos de SiO obtidos por deposição envolvem a tecnologia LPCVD onde há reacções químicas e a utilização de gases específicos.

4 Exercício.8 R: Menor espessura e menor stress por exemplo numa membrana em tensão. Ver texto (páginas 9-0. Exercício.9 R: Aplicações no infravermelho, visível e ultravioleta respectivamente. Exercício.0 R: Ver texto (páginas, 4 e 5.

5 CAPÍTULO 3 RESOLUÇÕES DOS EXERCÍCIOS PROPOSTOS Exercício 3. R: Ver texto (Figura 3.0b. Exercício 3. R: a Ver texto (página 39. b Apenas em tecnologia CMOS. Exercício 3.3 R: Definir regiões dopadas (com sinal contrário como base para o n-mosfet e p- MOSFET. A desvantagem é o uso de mais uma máscara para a p-well. Exercício 3.4 R: a Para a mesma área, consegue-se integrar um maior número de transístores e diminuir a potência de consumo pois a V th é menor para comprimento de canais menores. b A resolução óptica do processo litográfico (comprimentos de onda muito pequenos para definição das máscaras e a tensão V th está a atingir valores mínimos para a passagem de um electrão da source para o drain. A partir de um valor limite o processo é probabilístico. Exercício 3.5 R: Ver texto (páginas Exercício 3.6 R: a Z X Y XY XY. b Desenhar dois inversores lógicos e obter as ligações eléctricas A X e A Y Desenhar duas portas AND e obter as ligações eléctricas B A Y e B XA. Desenhar uma porta OR e obter a ligação eléctrica Z B B. Exercício 3.7 R: Para definir as zonas de dopagem. Exercício 3.8 R: Ver texto (página 45..

6 Exercício 3.9 R: Exercício 3.0 R: Ver texto (página Exercício 3. R: a R=N R sheet, com N =00 m/0 m=0. Logo R sheet =5 k. b R=N R sheet, com N =00 m/0 m=5. Obtém-se metade do valor inicial. c R=N R sheet, com N =00 m/0 m=0. Obtém-se o dobro do valor inicial. Exercício 3. R: a C=.A/d=40-9 /(36.(00 m00 m/(.645 m 5 ff, b C=.A/d=40-9 /(36.(00 m00 m/(.645 m 354 ff,

7 CAPÍTULO 4 RESOLUÇÕES DOS EXERCÍCIOS PROPOSTOS Exercício 4. R: Ver texto (página 68. Exercício 4. R: Ver texto (página 68. Exercício 4.3 R: a Ver texto (páginas b Ver texto (página 68. Exercício 4.4 R: Ver texto (página 76. Exercício 4.5 R: É possível, mas exige maior tempo na deposição e a colocação do substrato e alvo a diferentes distâncias para obter uma deposição conformal. Ver texto (página 8. Exercício 4.6 A evaporação por hot-wire (ou resistiva é simples, pois o aquecimento é feito através da passagem de uma corrente eléctrica por um barco de evaporação que segura o material a evaporar. De entre outras vantagens, a evaporação por e-beam (feixe de electrões permite ultrapassar um grande inconveniente da evaporação resistiva: o de projectar impurezas e outros contaminantes presentes no filamento e assegurar com maior resolução a espessura do filme a depositar. Exercício 4.7 R: A micromaquinagem superficial é a técnica que permite fabricar estruturas de menores dimensões. Exercício 4.8 R: Ver texto (página 7. Exercício 4.9 R: Sim, mas obriga a um elevado número de máscaras com várias CQSA. Exercício 4.0 R: Por CVD, pois um dos gases presentes é o SiH 4.

8 CAPÍTULO 5 RESOLUÇÕES DOS EXERCÍCIOS PROPOSTOS Exercício 5. R: a Para os n-mosfets: W / L I - =0 ( W / L 0 ( W / L W / L I ( W3 / L3.5 ( W / L - Para os p-mosfets: Assumindo que: - os transístores M e M 4 possuem o mesmo tamanho - I 4 =I =00 A - V ds4 =V ds =V gs Para um bom funcionamento do circuito, tanto M 4 como M 7 devem operar em saturação, ou seja: ncox W - I4 ( ( Vgs Vthn (* L - I C W p ox 7 4 ( ( Vsg 7 Vthp L7 O tamanho de M 7 é tal que: W I4 - ( Vdd V L C I 7 4 ( ds4 Vthp ( Vdd Vgs Vthp 7 p ox pcox Combinando a equação (* anterior: V V I V 4 - gs ds4 thn ncox( W / L Com a equação (**, resulta finalmente no tamanho de M 7 : - W I I ( ( Vdd Vthp Vthn L7 pcox ncox( W / L O tamanho dos restantes p-mosfets são: I5 - ( W5 / L5 ( W7 / L7 5( W7 / L7 I 4 (**

9 I 6 - ( W6 / L6 ( W7 / L7 7.5 ( W7 / L7 I 4 ( W / L 3( W / L ( W3 / L3 0 ( W / L b - - Exercício 5. R: a R.I ds =V dd / I ds =V dd /(R ncox W Ids ( ( Vbias V L V bias n ox thn Vdd V C R( W / L thn Vdd R. V b g m = n C ox (W/L(V gs -V thn, V gs =V bias =. V g m 573 ms c Supondo que C b é muito elevado de modo a não atenuar x(t V gs =V bias +x(t varia no tempo O caso mais desfavorável em termos de operação é quando V gs se torna inferior a V thn, fazendo com que o transístor deixe de operar na região de saturação. Assim, deve-se garantir que: - min(v gs =V bias +min[x(t]>v thn Portanto V bias >V thn -0.0=0.78 V Exercício 5.3 R: a A v =-g m.r d(eq W - gm ncox ( ( Vbias Vthn 0 ncox( Ids L L - V R W ds d ( eq [ pcox( ( Vsg Vthp 0] Ids L mas V sg =V dd -V bias e V gs =V bias Se por hipótese admitir-se que R d(eq =0 K W g m =.0 ms V bias =0.89 V I ds =0.0 ma W Rd ( eq [ pcox ( ( Vdd Vbias Vthp 0] 0 K V bias =.45 V L 70 b gm ncox ( ( Vbias Vthn 0.05 ms A v =-g m.r d(eq =-0.5

10 Exercício 5.4 I ref R: a Rbias Vdd Vthn K Iref ncox( W3 / L3 b I ds =00 A (W /L =(W /L =00/440/5=00/5 [m/m] c Como V sb 0, é necessário considerar o efeito de corpo que afecta M. Para um bom funcionamento do circuito, M e M tem de operar em saturação. Para isso: V ds >V gs -V thn (como o efeito de corpo não afecta M, então V thn =V thn0 e V ds >V gs -V thn (o efeito de corpo afecta M, logo V thn V thn0, Assumindo que V ds3 =V ds =V gs3 = =0.95 V (V ds3 >V gs3 -V thn0 = =0.5 V e M mantém-se em saturação. V sb =V ds =0.95 V V thn( =V thn0 +[( F +V sb -/ - F -/ ]0.89 V ncox W Ids ( ( Vbias Vds Vthn( 00 µa V bias =.09 V L M opera em saturação porque V ds = =.55 é maior que V gs -V thn( =0.5 V d A v =g m (/g mb //r o //r o /[+g m (/g mb //r o //r o ] r o =r o = pois ignora-se (=0 Assim A v =g m /(g m +g mb W gm ncox( Ids 0.8 ms L gm gmb 43.4 µs F Vsb A v =0.8 (< como era esperado. e R out =/(g m +g mb =4.48 K Exercício 5.5 R: a Deve garantir-se que qualquer que seja a tensão instantânea no terminal do drain V d = cos(ft, o transístor não saia de saturação. Além disso V sb V s, não se podendo desprezar o efeito de corpo. Para V d =0.35 V V thn =0.78 V para continuar saturado, V bias >.0 V Para V d =0.5 V V thn =0.76 V para continuar saturado, V bias >.3 V Logo para não sair de saturação deve V bias >max(v bias,v bias =.3 V. ncox W gmb b Av ( ( Vbias Vd Vthn ( L g V bias =.40 V e supondo V d =0.3 V (só com componente DC V thn =0.77 V I ds =6 A g m =0.37 ms, g mb =76 S A v =0.04 c R in =/(g m +/g mb =.4 K m

11 CAPÍTULO 6 RESOLUÇÕES DOS EXERCÍCIOS PROPOSTOS Exercício 6. R: Ver texto (página. Exercício 6. R: Ver texto (páginas 9 a 3. Exercício 6.3 R: Ver texto (página. Exercício 6.4 R: Ver texto (página 4. Exercício 6.5 R: Ver texto (página 6. Exercício 6.6 R: Escolher o par L [H] e C [F], de modo a f /( LC. Para f=4 MHz, pode escolher-se L=5 H e L=36 pf Seguir o procedimento apresentado nas páginas 4 e 5 do texto. Exercício 6.7 R: a Uma PLL necessita dos cinco componentes seguintes: ( divisor de frequência: N=500/.5=46 (é a razão entre a frequência de saída da PLL e a frequência do oscilador de referência note-se que 5. GHz=500 MHz; ( comparador de frequência/fase: trata-se de um circuito digital como o ilustrado na Figura 6.9 e por essa razão não necessita de um projecto específico; (3 oscilador controlado por tensão: K VCO =680 MHz/V (um outro valor qualquer pode ser utilizado desde que o VCO consiga oscilar à frequência que se deseja gerar; a razão da escolha deste valor é por já ter sido implementado um VCO destes e o valor constar no texto; (4 bomba de carga: K VCO =75 ma.rad/( (idem; (5 filtro de malha: suaviza a variação do sinal à entrada do VCO; o projecto dos constituintes do filtro de malha é o foco da próxima alínea. b Aconselha-se a leitura da secção do texto.

12 A largura de banda da PLL constitui uma outra especificação, mas a sua importância não é tão critica como a da margem de fase, pois só tem efeito na velocidade de convergência da PLL. Assim, um projecto possível do filtro de malha implica a definição deste valor: - f P =. MHz No texto pode observar-se o procedimento para a obtenção dos componentes do filtro: - = s: ver equação ( = s: ver equação ( f c = KHz: ver equação ( = s: ver equação ( C =.9 nf: ver equação ( C =8.58 nf: ver equação ( R =35.6 : ver equação ( C 3 =90 pf (<C /0: ver equação ( R 3 = : ver equação (6.40 Alternativamente, aplicando o factor de proporcionalidade /000(/.9, obtêm-se um conjunto de componentes mais fáceis de adquirir comercialmente: - C = pf (diminuiu - C =0.64 pf (diminuiu - R =6. K (aumentou - C 3 =0 pf <C /0 (diminuiu - R 3 =7.05 K (aumentou Exercício 6.8 R: a Em primeiro lugar importa saber se com 3.3 V de alimentação é possível fornecer directamente W a uma antena com resistência de entrada igual a 50. Da equação (6.55 sabe-se que P RF =max[v out (t] /(R L e da Figura 6.3(d sabe-se também que max[v out (t]=v dd, logo a maior potência que é possível entregar directamente a esta carga é P RF =09 mw. Para o amplificador poder fornecer uma potência de W, a máxima resistência de carga deve ser tal que RL Vdd /(PRF =5.44, ou seja muito menor que os 50. À partida parece que não é possível realizar-se um amplificador em classe A para as especificações apresentadas. Contudo e graças à introdução de uma malha LC constituída por dois ramos (com uma indutância L num dos ramos e uma capacidade C no outro ramo é possível cumprir com as especificações (fornecer W a uma antena de 50 ao mesmo tempo que o amplificador ve uma impedância de carga puramente real e inferior ou igual Se R out [] for a resistência de entrada da antena e R in [] for a resistência observada pelo amplificador, então para a frequência f 0 [Hz] consegue-se demonstrar que os elementos da malha LC são tais que:

13 - C f R 0 in R R in out - L Rin RoutC A figura seguinte ilustra o amplificador de classe A completo: Tendo em conta a máxima resistência anterior de 5.44 e assumindo justamente que R L =R in =5.44, então L=.6 nh e C=9.7 pf. Seleccionando C 0 e L 0 de forma que f ( L C, então uma possibilidade é usar L 0 =.64 nh para combinar-se com a indutância da malha adaptadora de forma a resultar na indutância equivalente L eq =.6.64/(.6+.64= nh. Por outro lado C 0 =5 pf mantém-se inalterada. Como a capacidade de bloqueio DC, C b, é muito elevada para não atenuar o sinal de RF, a combinação desta com a capacidade da malha de adaptação resulta em C eq =CC b /(C+C b C, significando que possui dupla função (ajudar na adaptação e no bloqueio DC. Sabe-se que a corrente I choke é igual à máxima corrente de pico RF (I choke =A RF Figura 6.3b e vale I choke =V dd / A. Da mesma figura percebe-se que o n-mosfet tem de aguentar uma corrente que é o dobro desse valor, ou seja.0 A. Além disso (Figura 6.3c, a tensão entre os terminais do drain e da source atinge o dobro da tensão de alimentação, o que significa que o n-mosfet deve ser capaz de dissipar uma potência de pico igual a.03.3=7.9 W. Uma boa regra é desenhar-se um n-mosfet com o menor comprimento permitido pela tecnologia, L=L min, e para a largura W seleccionada, desenhar-se um transístor multi-finger para haver uma maior distribuição das correntes por vários canais. O sistema de polarização deve ser tal que ncox W I chooke ( ( Vbias Vthn, com Lmin C bias o mais elevada possível para evitar atenuar o sinal a amplificar, v in (t, e R bias também o mais elevada possível para evitar que haja fugas de v in (t para a massa. Um bom exemplo é considerar C bias = nf e R bias =5 K. Quanto à indutância de choke, sabe-se que esta comporta-se como uma fonte de corrente assim, o módulo da sua reactância deve ser muito maior que a resistência

14 de carga vista pelo amplificador. Um bom exemplo é considerar X choke >0R L =54.4, resultando em L choke >54.4/(0 9 =8.66 nf. Finalmente, a eficiência é (equação % (50%. 3.3 b Amplificador em classe C A estrutura e os componentes de um amplificador de classe C são os mesmos da alínea anterior. A diferença reside no ângulo de condução que é inferior a 80º. Supondo que se pretende dissipar de forma segura 0% da potência a fornecer à carga (0% de W, então a eficiência é =/.=9%. Da equação (6.66, obtém-se o ângulo de condução =.6º (obtido numericamente. A amplitude da máxima corrente RF na carga (na carga de 5.44 observada a partir do terminal do drain obtém-se da equação (6.65 e vale A RF =3.74 A. Da equação (6.6 obtém-se a corrente média no n-mosfet: I ds 0. 33A. Finalmente, obtém-se a partir da equação (6.60 a corrente DC: I DC =-.0 ma. A tensão de polarização, V bias, é negativa e é tal que quando V gs =V bias +max[x(t], a corrente máxima será ncox W I ds (max ( ( Vbias max[ x( t] Vthn = =.64 A. Lmin A maior eficiência deste amplificador deve-se ao n-mosfet estar a maior parte do tempo em corte. Isto consegue-se graças a V bias que garante V gs <V thn nesses intervalos. Amplificador em classe E A estrutura e os componentes de um amplificador de classe E podem ser observados na Figura 6.36 do texto. Assumindo que o n-mosfet é ideal (V ds,on =0 V quando em condução, da equação (6.7 com P RF = W retira-se a resistência de carga R L =6.3. Uma vez mais é necessário usar uma malha de adaptação por ser diferente dos 50 especificados, ou seja: C malha =8.9 pf e L malha =.8 nh. Usando R L =6.3 na equação (6.69, escolhendo um factor de qualidade elevado (Q=0 e aplicando-o na equação (6.70, obtém-se as capacidades da malha de carga do amplificador em classe E: C =4.63 pf, C =.36 pf. A indutância será L=QR L /w=0 nh. A figura seguinte ilustra o amplificador em classe E completo:

15 Na malha de adaptação a indutância e a capacidade podem trocar de posição (o único efeito é a malha de adaptação deixar de ser passa-alto para passar a ser passa-baixo. Neste caso fica-se somente com L+L malha =.8 nh na malha de carga e a capacidade 8.9 pf em paralelo com a antena. Relativamente à indutância de choke, uma vez mais X choke >0R L =63., resultando em L choke >63./(0 9 =0 nf.

16 CAPÍTULO 7 RESOLUÇÕES DOS EXERCÍCIOS PROPOSTOS Exercício 7. R: Possibilidade de integração completa de antena+transmissor/receptor no mesmo chip, diminuição de perdas, baixo consumo e boa adaptação de impedâncias entre componentes. Ver texto (página 73. Exercício 7. R: Ver texto (páginas Exercício 7.3 R: Ver texto (página 76. Exercício 7.4 R: Ver texto (página 76. Exercício 7.5 R: Ver texto (páginas Exercício 7.6 R: Ver texto (páginas Exercício 7.7 R: Ver texto (páginas 8-8. Exercício 7.8 R: Ver texto (página 83. Exercício 7.9 R: Ver texto (página 85. Exercício 7.0 R: Ver texto (página 87. Exercício 7. R: Ver texto (página 88. Exercício 7. R: Ver texto (página 90.

17 Exercício 7.3 R: Ver texto (página 89. Exercício 7.4 R: Ver texto (página 93 e capítulo 4 sobre a micromaquinagem no silício para o processo de fabrico.