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Microeletrônica

Germano Maioli Penello

http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Microeletronica%20_%202015-1.html

Sala 5145 (sala 17 do laboratorio de engenharia elétrica)

Aula 16

MOSFET

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Capacitância parasítica de depleção de fonte e dreno

Modelo SPICE:

Não confundir capacitância de depleção (polarização reversa) com

capacitância de difusão (polarização direta)!

MOSFET

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Resistência parasítica de fonte e dreno

O comprimento da região ativa aumenta a resistência parasítica em série com o

MOSFET, determinada pelo número de quadrados na fonte (NRS) e dreno (NSD)

NRS = comprimento da fonte / largura da fonte

Resistência de folha incluída no modelo SPICE como srh (confira o valor no processo C5)

MOSFET

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Capacitância parasítica

As capacitância parasíticas dependem da área da regíão ativa. Num desenho

com números pares de capacitores, a região ativa de um terminal é maior que a

do outro. Neste desenho, a área do S é maior que a do D.

MOSFET

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Capacitância parasítica

Para obter boa resposta a altas frequências, é desejado que a capacitância

maior seja aterrada (para NMOS) ou conectada ao VDD (PMOS)

Maior

capacitância

A menor capacitância descarrega pelos dois capacitores (maior resistência no

caminho de descarga) enquanto a maior capacitância não carrega nem

descarrega.

Menor

capacitância

MOSFET

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Capacitância parasítica

Dispositivo operando na região de inversão forte (strong inversion region)

Capacitância não depende da extensão da difusão lateral

Canal formado entre o dreno e a fonte

MOSFET

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Capacitância parasítica

Dispositivo operando na região de depleção. Não há canal entre o dreno e fonte.

Capacitância depende da extensão da difusão lateral

Os parâmetros CGDO (gate-drain overlap capacitance) e CGSO são

estipulados no modelo SPICE. Confira os valores no modelo do

processo C5.

MOSFET

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Capacitância parasítica

Os modelos do MOSFET devem incluir capacitâncias entre seus terminais e

que essas capacitâncias dependem da região de operação do MOSFET.

Imagem SEM

Quantos

transistores

temos nesta

imagem?

Modelos para projetos digitais

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Após ver alguns detalhes da fabricação dos MOSFETs, agora veremos modelos

que utilizaremos em designs digitais

De uma forma simples, o MOSFET é analisado em

projetos digitais como uma chave logicamente controlada.

Modelos para projetos digitais

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Um dos pontos importantes em um circuito digital é o tempo de resposta do

MOSFET. Para determinar o tempo de resposta, temos que associar ao

MOSFET uma capacitância e uma resistência.

Efeito Miller

Considere o seguinte circuito:

Inicialmente: Vin = VDD e Vout = 0

Se as tensões mudarem: Vin = 0 e Vout = VDD

Modelos para projetos digitais

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Efeito Miller

Considere o seguinte circuito:

Inicialmente: Vin = VDD e Vout = 0

Se as tensões mudarem: Vin = 0 e Vout = VDD

A carga final fornecida é

Modelos para projetos digitais

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Efeito Miller

Neste exemplo, a capacitância vista pela fonte de entrada e de saída é o

dobro da capacitância conectada entre a entrada e a saída

Usaremos este resultado para construir um modelo de MOSFET para análise

digital.

Modelo de MOSFET digital

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Resistência de chaveamento efetiva

Inicialmente o MOSFET está desligado (VGS = 0) e o dreno está em VDD.

Aplicando instantaneamente uma tensão VDD na porta a corrente ID que

flui inicialmente é:

Modelo de MOSFET digital

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Resistência de chaveamento efetiva

Como estimar

uma resistência

para este

resultado?

Modelo de MOSFET digitalResistência de chaveamento efetiva

Como estimar

uma resistência

para este

resultado?

Inverso da inclinação da reta

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Modelo de MOSFET digitalResistência de chaveamento efetiva

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Modelo inicial para um MOSFET chaveando

Limitação desse modelo: Consideração feita que o tempo de subida e de

descida é zero. O ponto que define a chave aberta e fechada é bem definido.

Usado para cálculo a mão, apresentam resultados dentro de um fator de dois

do resultado obtido por simulação ou pela experiência.

Modelo de MOSFET digitalResistência de chaveamento efetiva

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O modelo feito aqui não inclui a redução da mobilidade observada em

dispositivos submicron. Um melhor resultado é obtido através de valores

medidos ou simulados:

NMOS de canal longo (fator de escala de 1 µm e VDD = 5V)

PMOS de canal longo (fator de escala de 1 µm e VDD = 5V)

mobilidade do elétron é maior que a do buraco

Modelo de MOSFET digitalResistência de chaveamento efetiva

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MOSFETs de canal curto não seguem a lei quadrática para a corrente!

NMOS de canal curto

PMOS de canal longo

Usamos a corrente Ion para estimar a resistência

Modelo de MOSFET digitalResistência de chaveamento efetiva

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MOSFETs de canal curto não seguem a lei quadrática para a corrente!

NMOS de canal curto (fator de escala de 50 nm e VDD =1V)

PMOS de canal longo (fator de escala de 1 µm)

Usamos a corrente Ion para estimar a resistência

Equações reescritas para incluir L

Modelo de MOSFET digitalEfeitos Capacitivos

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Adicionando efeitos das capacitâncias no modelo

Cox é a capacitância na região de triodo (superestimado para facilitar as

contas à mão – cálculo melhor é feito com simulações)

Capacitância é vista como 2(Cox/2) = Cox

Modelo de MOSFET digitalEfeitos Capacitivos

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Adicionando efeitos das capacitâncias no modelo

Modelo

melhorado

Modelo de MOSFET digitalConstante de tempo

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Qual é a velocidade de chaveamento do MOSFET?

Constante de tempo τn = RnCox

Canal longo:

Mais lento - quadraticamente com L

Independente de W

Mais rápido para VDD maior

Canal curto:

Mais lento linearmente com L

Independente de W

Mais lento para VDD maior

Modelo de MOSFET digital

Resumo

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Tempo de transição e de atraso

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Relembrando

Tempo de transição e de atraso

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Tempo de subida - tr

Tempo de descida- tf

Tempo de subida da saída- tLH

Tempo de descida da saída- tHL

Tempo de atraso low to high - tPLH Tempo de atraso high to low - tPHL

Tempo de transição e de atraso

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No nosso modelo digital:

Ctot = capacitância total entre o dreno e o terra.

Modelo simplificado para ser usado no cálculo a mão apenas!

Exemplo

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Descarga Carga

Exemplo

28

Descarga Carga

Canal longo

Canal curto

Exemplo

29

Descarga Carga

30

Simulação

Exemplo

Projeto digital

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Por que NMOS e PMOS têm tamanhos diferentes?

Projeto digital

32

Por que NMOS e PMOS têm tamanhos diferentes?

Casamento da resistência de chaveamento efetiva