Sala 5017 E [email protected] 14 VF.pdf · MOSFET 3 Já sabemos como criar um MOSFET, a partir de agora veremos os detalhes de ... Não confundir capacitância de depleção (polarização

Microeletrônica

Prof. Fernando Massa Fernandeshttps://www.fermassa.com/Microeletrônica.php

(Prof. Germano Maioli Penello)

Sala 5017 [email protected]

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

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Capacitores

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Processos CMOS podem conter uma segunda camada de polisilício chamada poly2.

Importante para:Capacitores poly-polyMOSFETsDispositivos de portas flutuantes (EPROM, memória FLASH, por exemplo)

Muzaffer A. Siddiqi, Dynamic RAM technology advancements, CRC 2013

MOSFET

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Já sabemos como criar um MOSFET, a partir de agora veremos os detalhes de como otimizar o leiaute de um MOSFET para reduzir os efeitos parasíticos.

MOSFET

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Difusão lateral

O dopante difunde lateralmente criando um MOSFET de comprimento Leff

MOSFET

5Reveja aula 10!

A implantação LDD (lightly doped drain) é feita para minimizar a difusão lateral.Depois da LDD é feita a deposição de um espaçador e só então a dopagem p+ ou n+ é realizada.

MOSFET

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Oxide encroachment (invasão do óxido)

O óxido invade a região ativa e reduz a área do transistor. Para compensar, o leiaute pode ser aumentado antes de fazer a máscara que define a região ativa.

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 rsh (confira o valor no processo C5)

MOSFET

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Long-length (Comprimento longo)

O comprimento é obtido pela interseção entre o poly e a região ativa (acompanhando o sentido da corrente).

Veremos adiante no curso que o MOSFET de comprimento longo tem uma resistência efetiva de chaveamento mais elevada

O que está faltando neste leiaute para construir um MOSFET real?

MOSFET

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Large-Width (Largura larga)

O que está faltando neste leiaute para construir um MOSFET real?

A largura é obtido pela interseção entre o poly e a região ativa. (perpendicular ao sentido da corrente)

Largura total é a soma das larguras

Conexão em paralelo

MOSFET

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A mesma abordagem pode ser feita para aumentar o comprimento do MOSFET

Conexão em série

Nomenclatura

larguracomprimento

10/2

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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Para obter boa resposta a altas frequências, é desejado que a capacitância maior seja aterrada (para NMOS) ou conectada ao VDD (PMOS)

Maior capacitância

MOSFET

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Maior capacitância

Verifique a descarga dos capacitores da figura à direita considerando o MOSFET como chave.

Menor capacitância

MOSFET

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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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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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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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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?

Exemplos de leiautes

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Capacitores apenas com camadas de metal.Processos com apenas uma camada poly não dá pra fazer capacitor poly-poly

Desprezando a capacitância de bordas (placas de área grande)

Ex: Capacitor de 1pF 50aF/m2 com área de lados de 100 m e 200m.Problema! Capacitância metal1 substrato grande! ~80% a 100%!

Respostas mais lentas e desperdício de energia


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Driblando o problema

Ex: Capacitor de 1pF 50aF/m2 com área de lados de 100 m e 66m. Área reduzida por 1/3 (considerando que as espessuras entre os metais são iguais.)

Normalmente o valor absoluto não importa, o importante é a razão entre capacitores.

Desprezando a capacitância de bordas (placas de área grande)


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Normalmente o valor absoluto não importa, o importante é a razão entre capacitores.

Ex: Resistor tipo capacitor-comutado R > 1MΩ (menor atraso)


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Capacitores apenas com camadas de metal.

Efeito de franjas (efeito de borda)

Capacitância entre metais da mesma camada.

Tipicamente 50 aF/m vs. 25 aF/m da capacitância de borda com o substrato

“Visualizar as linhas de campo ajuda na interpretação das capacitâncias parasíticas dominantes” => Capacitância entre o substrato é reduzida


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Capacitância entre vias (também chamada de capacitor lateral).

Tipicamente 500 aF/m vs. 25 aF/m da capacitância de borda com o substrato

A adição de vias aumenta a capacitância lateral, mas não linearmente.


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Capacitância com o topo

Para evitar acoplamento no topo, uma placa aterrada é colocada acima do capacitor.

Permite que sinais digitais ruidosos possam ser utilizados evitando interferência.


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Resistores de polisilício

Melhor performance quando necessita-se de razões precisas entre resistências (não forma junções pn como a resistência de poço-n).

Melhor casamento, melhor comportamento em função da temperatura e tensão

Em geral, tamanho mínimo da largura e comprimento de 10 a 100

Por exemplo, para um processo de canal-curto, onde = 50 nm, a largura mínima do resistor de poli será de 500 nm.

Resistores largos dissipam melhor o calor – menores efeitos de eletromigração → R = ρ (L/A)

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Exemplos de leiautesResistores de polisilício

Em geral, tamanho mínimo da largura e comprimento de 10 a 100Resistores largos dissipam melhor o calor – menores efeitos de eletromigração)

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Modulação de condutividade

Metal com potencial maior acima do polisilício atrai elétrons causando regiões de resistividade baixa

Para reduzir modulação da condutividade:•Evitar metal acima do resistor de polisilício•Aumentar a distância entre o metal e o polisilício (metais das camadas superiores)•Inserir escudo de condução aterrado como no capacitor

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Exemplo: Conversor digital analógico(DAC) tipo rede resistiva com pesosBinários.

http://www.paulotrentin.com.br/eletronica/conversor-dac-atraves-da-rede-de-escada-r2r/

https://www2.pcs.usp.br/~labdig/pdffiles_2009/2498-convDA-2005.pdf

*Exemplo de aplicação de um amplificador somador.

Rede resistiva tipo R-2R →

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Rede resistiva tipo R-2R(R-2R resistor string)

Leiaute mínimo (área mínima)

Conversor digital analógico(DAC) integrado comtecnologia CMOS


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Por que usar dummy?


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*Se a área ocupada não for problema, a rede capacitiva proporcionaria maior precisão!

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Onde ficam o MSB, LSB, Term. e Vout?


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VoutMSB Term.LSB


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