Post on 17-Apr-2015
IE733 – Prof. Jacobus
Cap. 5
Transistores MOS com canal implantado.
(parte 1)
5.1 IntroduçãoSubstrato uniforme
B
SG
D
B
SG
DCap. 4 Cap.5
região implantada
Substrato não uniforme
A dopagem do substrato é modificada localmente entre a região de fonte e dreno.
A técnica usada é a de implantação iônica.
O principal objetivo é ajustar a tensão de limiar dos transistores para um valor desejável e modificar outras características (por ex. punchthrough).
Neste capítulo veremos:
• Transistores nMOS de enriquecimento;
• Transistores nMOS de depleção;
• Transistores pMOS de enriquecimento;
• Efeitos mais importantes associados aos transistores
com canal implantado;
• Modelos e resultados analíticos para cada tipo;
Os resultados quantitativos serão limitados a corrente de deriva.
Introdução
5.2 Transistores nMOS de Enriquecimento
5.2.1 – Considerações iniciais:
000 SBTT VVV
Para circuitos digitais:
VT deve ser alto suficiente para que a corrente seja desprezível quando VGS=0V (corrente de fuga pequena), porém;
VT não dever ser muito alto pois deve-se atingir grandes valores de corrente com o máximo valor possível de VGS – (operação em altas velocidades)
Para a tecnologia atual, VGS = VDD =1V e VT = 0.25V
VT para dispositivos sem implantação de canal (cap.4)
'
...2
ox
AS
C
Nq
Transistores nMOS de Enriquecimento
'
'0
oxMSFB C
QV
Tecnologia atual: Q’0 C’ox pois, Tox VFB MS
SBFBT VVV 00 então, para um valor de VT suficientemente positivo: para isso, NA
porém, substrato com alta dopagem implica em:grande variação de VT com VSB, aumento do valor de S (slope),
aumento do valor das capacitâncias de junção (reduz a velocidade dos CI’s).
Como resolver ?Do cap. 4:S=2.3nt SBF V
n
221
Implantação de íons aceitadores próximo à superfície!!!
A concentração do substrato (NA) não aumenta
Efeito de corpo e capacitâncias de junção são mantidas pequenas
Transistores nMOS de Enriquecimento
Altera efetivamente o valor de Q’0 VFB VT.
Átomos aceitadores ionizados carga negativa
Porém a implantação de íons próximo à superfície não é adequada para dispositivos de canal curto (cap. 6). punchthrough.
Nota-se então que o projeto de dispositivos com canal implantado não é um tarefa fácil!!!
Geralmente são usadas duas implantações.
Transistor com canal implantado e MOS de três terminais correspondente:
Fig. 5.2
Transistores nMOS de Enriquecimento
A implantação de íons é caracterizada pela “dose efetiva” (número de íons implantados/cm2 – de 1011 a 1013/cm2) e pela energia cinética média dos íons (5 a 200 keV).
Ex.:
Dose de 1x1012 cm-2
Energia de 60 KeV.
A distribuição inicial dos íons no semicondutor é aprox. gaussiana. Após a difusão dos dopantes causada pelas etapas térmicas, a forma da distribuição é a da figura 5.3a.
Para facilitar as análises, usa-se a distribuição da figura 5.3b. As constantes NI e dI devem ser apropriadamente escolhidas para resultar modelos precisos. Ex.: dI = RP+RP (~0.1m) como chute inicial
5.2.2 – Cargas e tensões de limiar. Transistores nMOS de Enriquecimento
VI é a tensão VCB quando dBm = dI.
dBm – largura da região de depleção
enquanto em inversão forte.
dI – profundidade da região implantada.
Em inversão forte e aumentando VCB, a região de depleção aumenta até chegar na profundidade dI para VCB=VI.
Enquanto VCB ≤ VI podemos considerar o dispositivo como sendo gate/óxido/região implantada, assim, a dopagem efetiva do substrato desse dispositivo será:
NAS = NAB + NI
dBm < dI
Para VCB baixo e aumentando VGB:
Transistores nMOS de Enriquecimento
Do cap. 3 e substituindo NA por NAS;
CBAS
SBm V
Nqd 01.
.2 CBoxBB VCQQ 01
'1
'1
' .
'1
...2
ox
ASS
C
Nq
Para VCB ≤ VI
1''TCBGBoxI VVVCQ
CBFBox
BFBT VV
C
QVV 011011'
'
0111
Quando VCB = VI, temos dBm = dI;
01
2
.2
..
S
IASI
dNqV
FBFB VV 1
do transistor nãoimplantado:
'
'0
oxMSFB C
QV
(01 um pouco maior que 0 do não implantado)
Assumindo VGB suficiente para manter inversão forte e fazendo VCB > VI, a região de depleção será maior que a profundidade região implantada, daí:
Transistores nMOS de Enriquecimento
As aproximações anteriores não valem!!
Região com dopagem NAS seguida de uma dopagem NAB.
Cap. 3 – Em inversão forte, S 01+ VCB, assim:
CBS
IoxBB V
dMqCMqQQ
.2
.... 01
'2
'2
'
Transistores nMOS de Enriquecimento
VCB ≥ VI
'2
...2
ox
ABS
C
Nq
II dNM . M é a dose de implantação (cm-2).Se M=0, Q’
B2 é igual para dispositivos sem implantação.
'
'2
012ox
BFBT C
QVV
2''
TCBGBoxI VVVCQ
CBS
I
oxFBT V
dMq
C
MqVV
.2
...012'012
Obs: Caso dI 0, VT2 = VT1 com VFB aumentado por q.M/C’ox. Os
íons implantados estão próximos à superfície e eles atuam na carga de interface Q’0.
Por eletrostática (apêndice B e probl. 5.11):
CBS
I
S
I
S
I
oxFBT V
dMqdMqd
CMqVV
.2
..
.2
..
.2
1. 01201'2
Podemos re-escrever :
Considerando um dispositivo fictício sem implantação:
CBFBT VVV 0220222
S
IdMq
.2
..0102
S
I
oxFBFB
d
CMqVV
.2
1.
'2
VT2 será idêntico à expressão anterior se escolhermos:
VFB2 > VFB1
02 < 01
2 < 1 Expressão final:
CBTCBGBoxI VVVVCQ ''
ICBCBT
ICBCBTCBT VVVV
VVVVVV
,
,
2
1
CBiiiFBiCBTi VVVV 00
Transistores nMOS de Enriquecimento
Eq. 5.2.28 a,b
Para o caso do transistor:
Transistores nMOS de Enriquecimento
ISBSBT
ISBSBTT VVVV
VVVVV
,
,
2
1
Dopagem NAS uniforme VT = VT11 curva a
Dopagem NAB uniforme 2 curva bs/ implantação
Dopagem NAB uniforme mas com implantação rasa
Fig. 5.5a
Altera o valor de Q’0
Fig. 5.5b
VFB + q.M/C’ox curva c
dI 0
Podemos incluir estas expressões de VT nos modelos decorrente do cap. 4, ajustando NI e dI para ajuste das curvas.É uma aproximação, pois modelos do cap. 4 são p/ NA=cte.
Alternativa: desenvolver modelo com NA não uniforme.
Depende da necessidade e/ou interesse.
Transistores nMOS de Enriquecimento
5.2.3 – Modelo de corrente para inversão forte – Fonte/Dreno
Se VDB ≠ VSB, então VCB varia ao longo do canal e a região de depleção também.Q’I vai ser função de VCB(x), que
pode ser maior ou menor que VI !
DB
SB
V
V CBIDSN dVQL
WI '.
DB
SB
V
V CBCBTCBGBoxDSN dVVVVVCL
WI '.
Assumindo VDB>VSB (VDS>0) temos 3 casos:
1o – VSB < VDB ≤ VI Região de depleção dentro da região implantada.
Eq. 5.2.33
- Não saturação.
Em toda região vale VCB < VI, assim (5.2.28a e 5.2.33):
2o – VI ≤ VSB < VDB Região de depleção fora da região implantada.
Em toda região vale VCB > VI,
Transistores nMOS de Enriquecimento
2/30
2/303
2
22
2
10
'.),(
iXV
iYV
i
XVYVXVYViFBiVGBV
oxCL
WYVXVi
I
cap. 4
IDSN = I2(VSB,VDB)
IDSN = I1(VSB,VDB)
usando a eq. acima com i=2
Eq. 5.2.35
Transistores nMOS de Enriquecimento3o – VSB < VI < VDB
No ponto onde dI = profund. de implantação, ou seja, VCB = VI, temos:
DB
I
I
SB
V
V CB
CB
V
V
dV
dV
CBV
TV
CBVGBV
CBV
TV
CBVGBV
oxCL
W
DSNI
2
1'.
IDSN = I1(VSB,VI)+ I2(VI,VDB)
DBISBDBIISB
DBSBIDBSB
IDBSBDBSB
DSN
VVVVVIVVI
VVVVVI
VVVVVI
I
,),(
,,
),,(
21
2
1
Resumidamente:
Transistores nMOS de Enriquecimento- Região de Saturação, I constante.
0
DB
DSN
V
I VDB(pinchoff) → VP1.
Se VP1 < VI 01
2
1
211
1 42
FBGBP VVV
Se VDB (pinchoff) > VI obtém-se:
2
2
222
2 42
FBGBP VVV
Assumindo VSB fixo e VDB variando.
Se VSB < VI → VP1 se < VI Se VSB < VI e VP1 > VI → VP2
Desconsiderando a modulação do comprimento do canal, o modelo completo passa ser:
PDBDS
PDBDSN
DSVVI
VVII
,
,'PDB VVDSNDS II '
5.2.4 – Modelo Simplificado para Inversão forte
- São apresentados dois parâmetros: I1(região implantada) e
I2 (região sem implantação)
Transistores nMOS de Enriquecimento
- Expansão da Eq. 5.2.35 (Prob. 5.2);
2
2
1'.),(XV
YV
IiXVYVXV
TiV
XV
GBV
oxC
L
WYVXVi
I
SBI
IVV
0201
11 1
I
IV
02
22
.21
I1 > I2
I1 e I2 são parâmentros críticos e devem ser cuidadosamente escolhidos para garantir continuidade nos modelos.
onde, VTi, i = 1,2. Eq. 5.2.44
Transistores nMOS de Enriquecimento- Na região de saturação.
- Se VSB < VI e VP < VI
- Se VSB < VI e VP > VI
- Se VI < VSB < VDB
1
11
I
SBTSBGBSBP
VVVVVV
2
22
I
ITIGBIP
VVVVVV
2
23
I
SBTSBGBSBP
VVVVVV
Lembrando que VP → VDB quando IDSN/ VDB = 0
Transistores nMOS de Enriquecimento
A aproximação por canal não implantado apresenta resultados satisfatórios quando a dose implantada é pequena.
VSB = 0 e VGB pequeno → VP < VI curva tracejada 1
VSB = 0 e VGB grande → VP > VI curva tracejada 2
Quando VSB > VI → continuidade!!!
- Dispositivo com alta dose de implantação(simulado);
- Note que VTextr.1 < VTextr.2
Transistores nMOS de Enriquecimento
5.2.5 –Inversão Fraca Para VSB > VI , a região de depleção fica fora da região implantada e o dispositivo se comporta como um sem implantação
Para VSB = 0 , a região de depleção fica dentro da região implantada;
= 1 assim, n e S ↑ (slope)
Portanto, a implantação de ajuste de VT deve ser projetada para que a região de depleção mantenha-se na região não implantada do substrato.
A região de depleção também não deve ser muito grande pois podem aparecer efeitos de canal curto (cap. 6)
Dificuldade para projetar circuitos analógicos, baseados no comporta-mento exponencial nesta região.