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PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORESTRANSISTORES CMOS
Marco A. Zanata Alves
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 1
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PORTAS LÓGICAS
Afinal, como essas portas são construídas em um nível mais baixo?
Porta not
𝑋 𝑋
𝑋𝑋 ∙ 𝑌
𝑌Porta and
𝑋𝑋 + 𝑌
𝑌Porta or
𝑋𝑋 ⊕ 𝑌
𝑌Porta xor
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 2
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INTRODUÇÃO SOBRE TRANSISTORES
Os tipos de transistores mais utilizados são do tipo TTL e CMOS.
Os transistores do tipo CMOS são os mais utilizados em circuitos digitais.
Esses transistores CMOS são implementados com semicondutores (ex. silício).
Os semicondutores dependendo da circunstância se comportam como isolantes ou condutores.
Semicondutores podem ser utilizados para implementar chaves (ON/OFF). Tais chaves podem ser controladas por circuitos digitais.
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INTRODUÇÃO SOBRE TRANSISTORES
CMOS significa Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
O "complementary" em seu nome vem do fato dessa tecnologia utilizar dois tipos de transistores MOSFET.
MOSFET de canal N ou P, de tal modo que um deles "complementa" o outro na necessidade de se produzir funções lógicas.
MOSFET significa Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
Esse é o tipo mais comum de transístores de efeito de campo.
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BREVE PASSEIO PELOREINO DA QUÍMICA
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 5
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ÁTOMO
Prótons possuem carga positiva
Elétrons possuem carga negativa
A perda ou ganho de elétrons, por parte de um átomo irá transformá-lo num íon positivo ou negativo.
Quando um átomo ganha elétrons, ele se torna um íon negativo, também chamado ânion.
Quando um átomo perde elétrons, ele se torna um íon positivo, também chamado cátion.
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Núcleo
Formado
por prótons
e nêutrons
Eletrosfera
Formada por
elétrons
distribuídos em
várias camadas
++++
++
++
-
-
-
-
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ELÉTRONS
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 7
K
L
M
N
O
P
Q
2 8 18 32 32 18 2
As órbitas eletrônicas de todos os átomos conhecidos se agrupam em 7 camadas eletrônicas e 4 subníveis {2,6,10,14}.
Um átomo adquire estabilidade quando possui 8 elétrons na camada eletrônica mais externa, ou 2 elétrons quando possui apenas a camada K.
Daí surge o nome camada de valência, última camada eletrônica de um átomo.
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UNIÃO DE ÁTOMOS
Quando dois átomos vão se unir, eles “trocam elétrons entre si” ou “usam elétrons em parceria”
O objetivo é atingir a configuração eletrônica de um gás nobre. Com 8 elétrons na camada de valência.
Surgem daí os três tipos comuns de ligação química:
Ligação iônica: é a força que mantém os íons unidos, depois que um átomo cede definitivamente um, dois ou mais elétrons para outro átomo.
Ligação covalente: é a união entre átomos que compartilham elétrons entre sí.
Ligação metálica: é o agrupamento entre átomos estabelecida através de uma grande quantidade de elétrons livres.
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ESCOLHA DO MATERIAL PARA O CORPO
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 12
Para escolha de material para os transistores começamos
pelo semicondutor que consegue conduzir energia, mas não
com a mesmo desempenho de um metal.
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MATERIAIS USADOS EM TRANSISTORES
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 13
Semimetal
(semicondutor)
Possúi 4 elétrons na
camada de valência
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Tendência de ser Isolante, pois
costuma atingir estabilidade
(sem elétrons ou buracos soltos)
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MATERIAIS USADOS EM TRANSISTORES
Depois, escolhemos os dopantes (materiais para aumentar a performance)
Dopantes com estruturas parecidas são preferidos, pois assim eles se encaixam melhor na estrutura do semicondutor.
Dopantes vão deixar o material ricos em elétrons ou buracos (falta de elétrons)
Esses elétrons ou buracos soltos podem se mover pela estrutura.
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 14
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ESCOLHA DO MATERIAL DOPANTE
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MATERIAIS DOPANTES
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 16
Não metal
Possúi 5 elétrons na
camada de valência
Si
Si
Si
Si
P
Si
Si
Si
Si
Elétron
livre-
A estrutura atinge estabilidade e
fica com elétrons sobrando (-)
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MATERIAIS DOPANTES
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 17
Semimetal
Possúi 3 elétrons na
camada de valência
Si
Si
Si
Si
B
Si
Si
Si
Si
Buraco
livre
A estrutura atinge estabilidade e
fica com falta de elétrons, ou
seja um buraco sobrando (+)
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MATERIAIS USADOS EM TRANSISTORESCOMPLEMENTARY M+O+S
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 18
P/N
Corpo, feito de semicondutor dopado
com material P (boro) ou N (fósforo)
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MATERIAIS USADOS EM TRANSISTORESCOMPLEMENTARY M+O+S
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 19
P/NN/P N/P
Substrato N (fósforo) ou
Substrato P (boro)
Corpo, feito de semicondutor dopado
com material P (boro) ou N (fósforo)
Materiais
complementares
(inversos)
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MATERIAIS USADOS EM TRANSISTORESCOMPLEMENTARY M+O+S
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 20
P/NN/P N/P
isolanteSubstrato N (fósforo) ou
Substrato P (boro)
Isolante (óxido de silício)
Corpo, feito de semicondutor dopado
com material P (boro) ou N (fósforo)
Materiais
complementares
(inversos)
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MATERIAIS USADOS EM TRANSISTORESCOMPLEMENTARY M+O+S
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 21
P/NN/P N/P
isolante
metal Substrato N (fósforo) ou
Substrato P (boro)
Metal (alumínio)
Isolante (óxido de silício)
Corpo, feito de semicondutor dopado
com material P (boro) ou N (fósforo)
Materiais
complementares
(inversos)
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MOSFET
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MOSFET
O MOSFET é composto de um material semicondutor no Source e Drain.
Se o source/drain for de material tipo N, ele é chamado de nMOS
Caso seja feito de material tipo P, ele se chamará pMOS
O MOSFET possui quatro terminais: Dreno (Drain), Fonte (Source), Porta (Gate), Substrato (Body)
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 23
P
Source
N N
Drain
Body
Gate
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MOSFET
Normalmente os terminais Body e o Source estão conectados entre si.
Assim, apenas 3 terminais estão disponíveis (Source, Gate, Drain)
O Gate é separado do resto por uma camada isolante (azul)
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Isolante
Source Drain
Body
Gate
Condutores
simples
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MOSFET
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PN N
isolante
metalS D
G=0V
0V
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MOSFET
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PN N
isolante
metalS D
G=0V
0V
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MOSFET
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PN N
isolante
metalS D
G=0V
0V
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MOSFET
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 28
PN N
isolante
metalS D
G=0V
0V
Não há corrente elétrica entre SD
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MOSFET
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PN N
isolante
metalS D
G=0V
0V
Ao aplicar uma corrente no terminal Gate, um
campo magnético é gerado.
Esse campo magnético atrai ou repele os elétrons
da camada de valência do semicondutor, ou seja,
as partículas que carregam carga elétrica na
região entre os terminais Source e Drain.
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MOSFET
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 30
PN N
isolante
metalS D
G=5V
0V
Canal negativo se forma
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P
MOSFET
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N N
isolante
metalS D
G=5V
0V
Corrente
elétrica
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MOSFET TIPO N
Se Gate em 0 Volt (lógico 0)
Não há corrente entre Source e Drain
Chave aberta
Se Gate em 2 Volts (lógico 1)
Há corrente entre Source e Drain
Chave fechada
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 32
N N
isolante
metalS D
G=0V
N N
isolante
metalS D
G=2V
0V
0V
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MOSFET TIPO P
Se Substrato em 0 Volt (lógico 0)
Não há corrente entre Source e Drain
Chave aberta
Se Substrado em 2 Volts (lógico 1)
Há corrente entre Source e Drain
Chave fechada
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 33
P P
isolante
metalS D
G=2V
P P
isolante
metalS D
G=0V
Tipo P funciona de forma
análoga invertendo as
cargas e polaridade
2V
2V
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SIMBOLOGIA DE CMOS
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 36
nMOS
pMOS
G=1 S=D
Chave fechada
G=0 S=D
Chave fechada
Boa
condução
de cargas
negativas
Boa
condução
de cargas
positivas
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NOSSA PRIMEIRA PORTA LÓGICA...O QUE ELA FAZ?
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FABRICAÇÃO DE CMOS
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CONSTRUÇÃO DE UM CMOS
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 39
silício
Waffer de silício
200𝜇𝑚
1”~18”25mm~450mm
Polimento
𝐷𝑒𝑓𝑒𝑖𝑡𝑜𝑠 < 1 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑚2
99.9999999% pureza
Forno 1000ºC, com aplicação
de máscaras + dopagem com
Boro(B), Fósforo (P), Arsênio
(As), Antimônio (Sb)
99.9999% pureza400
𝜇processadores
+10x
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TESTE DE UM CMOS
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 40
Testa circuito no
waffer
Recorta CIs
Testa CIs
Encapsula Testa CI
Vende
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MÁSCARA DE UM INVERSOR CMOS
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 41
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WAFFER PRONTO
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PROCESSADOR (DIE)
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 43
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ESCALANDO MOSFETS
Reduzir o tamanho dos transistores é útil por diversos fatores:
Produzir mais transistores na mesma área, ou implementar a mesma funcionalidade em uma área menor.
Aumentar o número de circuitos por waffer, aumentando assim o lucro.
Transistores menores conseguem chavear (ativar/desativar) mais rápido.
Redução na capacitância por isso redução no consumo de potência 𝑃 = 𝐶𝑉2𝑓
Lenght é a distância entre S e D, essa distância influencia na frequência máxima de operação
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 44
Source DrainGate
lenght
.
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TENDÊNCIA
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 45
lenght
+/- 50
átomos
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QUAIS AS IMPLICAÇÕES DESSA MINIATURIZAÇÃO?
Transistores mais rápidos
Maior corrente de fuga (energia estática)
Lei de Moore (número de transistores deve dobrar a cada 18 meses)
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 46
Playground
maior!
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TRANSISTORES TRI-GATE
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CONSUMO DE POTÊNCIA (WATTS)
𝑃 = 𝐶𝑉2𝑓
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Energia
para
chavear
(joules)
Chaveamentos
por segundo
(hertz)
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PORTAS LÓGICAS IMPLEMENTADAS CHAVES
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INTRODUÇÃO A CIRCUITOS COM CHAVES
Antes de considerar os transistores, vamos ver a implementação usando chaves simples.
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0 1
Controle=0
Circuito aberto
(interrompido)
Controle=1
Circuito fechado
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INVERSOR COM CHAVES
PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 51
Caso nenhuma chave esteja fechada, o estado da saída é indefinido.
Caso ambas as chaves sejam fechadas, um curto circuito ocorrerá entre VDD e GND.
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LIGAÇÃO EM SÉRIE
X só é transmitido até Y caso as chaves P e Q estejam ativas.
Caso apenas uma das chaves ou nenhuma esteja ativa, nada pode-se dizer sobre o estado da saída Y.
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LIGAÇÃO EM PARALELO
X só é transmitido até Y caso uma das chaves P ou Q estejam ativas.
Caso nenhuma chave esteja ativa, nada pode-se dizer sobre o estado da saída Y.
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EXEMPLO DE PORTA LÓGICA COM CHAVES
Que porta lógica é essa?
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EXEMPLO DE PORTA LÓGICA COM CHAVES
Que porta lógica é essa?
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EXEMPLO DE PORTA LÓGICA COM CHAVES
Que porta lógica é essa?
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EXEMPLO DE PORTA LÓGICA COM CHAVES
Que porta lógica é essa?
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A REVOLUÇÃO DIGITAL FOI FEITA DE CMOS!
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CMOS