Aula 7 07 VF 2018(1).pdfDopante tipo p? – B (coluna III da tabela periódica) Dopante tipo n? –...

Microeletrônica

Aula 7

Prof. Fernando Massa Fernandes

(Prof. Germano Maioli Penello)

http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Microeletronica_2016-2.html

Sala 5017 E

[email protected]

https://www.fermassa.com/Microeletronica.php

http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Microeletronica_2016-2.html

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.

Diodo parasíticoUm 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.

ResistênciaAlém de servir como base para o transistor PMOS, o poço-n também é utilizado para criar resistores.

Lembrando:

A resistência de um material depende de propriedades intrínsecas do material e da sua geometria.

Propriedade do mateiral: ResistividadeGeometria: Comprimento e área de seção reta

ρ→resistividade

σ=1ρ→condutividade

ResistênciaAlém 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!

Resistência de folhaUma 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

Resistor de poço-nDetalhe do Layout

Esta é a seção reta de um resistor de poço-n após as divesas etapas de processamento.

http://www.prenhall.com/howe3/microelectronics/pdf_folder/lectures/tth/lecture4.fm5.pdf

Resistência-SemicondutorPontos importantes:

Aumentar o número de buracos ou elétrons aumenta a condutividade do material

σ=1ρ

=e (μnn+μp p )

A dopagem controla o numero de portadores e modifica o nível de Fermi!

Concentração de portadores Energia de Fermi

Vários aplicativos em:http://jas.eng.buffalo.edu/index.html

Eg (Si )= 1,12 eV

À temperatura ambiente (~300K) em um Si intrínseco,

Só existe um par elétron/buraco a cada ~1012 átomos de Si

No Si intrínseco (não-dopado) a energia de Fermi é no meio do GAP.

Resistência-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, Ids.

σ=1ρ

=e (μnn+μp p )

μp (Si )=500 cm2/ (V . s)μn (Si )=1450 cm2

/ (V . s)

Dopagem

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)

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)

No semicondutor dopado (Nd >> n

i) Nd >>p⇒ ρ=

1e . μn .N d

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)

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.

Energia de Fermi (Junção pn)

Ao criar uma junção pn, como fica a estrutura de banda da junção?

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.

(Junção pn)

DiodoAs características DC de um diodo são dadas pela equação de Shockley do diodo

http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/iv/index.html

DiodoAs características DC de um diodo são dadas pela equação de Shockley do diodo

ID – corrente no diodoIS – Corrente de saturaçãoVd – Tensão no diodoVT – Tensão térmica (~25mV @ 300K)n – coeficiente de emissão (relacionado com o perfil de dopagem)

DiodoAo 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.

Capacitância parasíticaA capacitância de depleção pode ser modelado pela equação

Cj0 – capacitância sem tensão aplicada na junçãoVD – tensão aplicada no diodom – 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).

Exemplo

Exemplo

Calcular o potencial intrínseco Vbi

Calcular a capacitância do fundo (como?)Calcular a capacitância da lateral Calcular a capacitância total

Exemplo

Calcular o potencial intrínseco Vbi

Calcular a capacitância do fundoCalcular a capacitância da lateral Calcular a capacitância total

Exemplo

Exemplo

ProfundidadePerímetro lateral

Exemplo

Capacitâncias em série ou em paralelo?

Exemplo

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!

Capacitância parasíticaCapacitância 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.


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 10s 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.


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!

Atraso RC por um poço-nVimos 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.

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.


IMPORTANTE EM CIRCUITOS DIGITAIS

Como se chega nesta equação?

Linha de transmissão = Squência de elementos RC


Tempo de atraso do circuito

Tempo de subida



Tempo de atraso do circuito

Tempo de subida


Passa alta ou passa baixa? Olhe o gráfico

Atraso RC por um poço-nAnalisamos 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)


Atraso até o ponto B (tempo de carga do capacitor até o ponto A + até o ponto B)


Atraso até o ponto C (tempo de carga do capacitor até o ponto A + até o ponto B + até o ponto C)


Para um número l de segmentos:


Para um número l de segmentos:

Soma de l termos com incremento 1 (Gauss fez isso quando era criança! )

Se l >> 1

Exemplo

Simulado no spice

Tempo de subidaUma 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

Trabalho 1 – Divisor de tensão

Prazo: Até 18/05 (Não será aceita entrega fora do prazo)

http://cmosedu.com/videos/electric/tutorial1/electric_tutorial_1.htm

Utilizar o tutorial da página cmosedu.com:

Electric VLSI Design System

Software open-source para design de circuitos, leiautes e mais…

http://www.staticfreesoft.com/electric.html

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

http://www.linear.com/designtools/software/

Projeto de CI

Ajustando Electric + LTSpice:

http://cmosedu.com/cmos1/ltspice/ltspice_electric.htm

Projeto de CI

Sistema Live: UbuntUERJ_beta

Sistema operacional (Live) para rodar direto do DVD ou pendriveElectric e Ltspice pré-configurados

Electric VLSI Design SystemComandos para configuração do Java 3D no Linux:

Configuração do Electric para gerar o arquivo do LTSpice por meio do Wine.

(Baixar os cinco arquivos .jar e instalar no java)(A instalção do Electric a partir do gerenciador synaptic elimina essa etapa)

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

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