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PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORESTRANSISTORES CMOS

Marco A. Zanata Alves

PROJETOS DIGITAIS E MICROPROCESSADORES 1

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

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.

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.

BREVE PASSEIO PELOREINO DA QUÍMICA

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.

Núcleo

Formado

por prótons

e nêutrons

Eletrosfera

Formada por

elétrons

distribuídos em

várias camadas

ELÉTRONS

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.

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.

ESCOLHA DO MATERIAL PARA O CORPO

Para escolha de material para os transistores começamos

pelo semicondutor que consegue conduzir energia, mas não

com a mesmo desempenho de um metal.

MATERIAIS USADOS EM TRANSISTORES

Semimetal

(semicondutor)

Possúi 4 elétrons na

camada de valência

Tendência de ser Isolante, pois

costuma atingir estabilidade

(sem elétrons ou buracos soltos)

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.

ESCOLHA DO MATERIAL DOPANTE

MATERIAIS DOPANTES

Não metal

camada de valência

Elétron

livre-

A estrutura atinge estabilidade e

fica com elétrons sobrando (-)

MATERIAIS DOPANTES

Semimetal

camada de valência

Buraco

A estrutura atinge estabilidade e

fica com falta de elétrons, ou

seja um buraco sobrando (+)

MATERIAIS USADOS EM TRANSISTORESCOMPLEMENTARY M+O+S

Corpo, feito de semicondutor dopado

com material P (boro) ou N (fósforo)

P/NN/P N/P

Substrato N (fósforo) ou

Substrato P (boro)

Materiais

complementares

(inversos)

P/NN/P N/P

isolanteSubstrato N (fósforo) ou

Substrato P (boro)

Isolante (óxido de silício)

Materiais

complementares

(inversos)

P/NN/P N/P

isolante

metal Substrato N (fósforo) ou

Substrato P (boro)

Metal (alumínio)

Isolante (óxido de silício)

Materiais

complementares

(inversos)

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)

Source

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)

Isolante

Source Drain

Condutores

simples

MOSFET

isolante

metalS D

MOSFET

isolante

metalS D

MOSFET

isolante

metalS D

MOSFET

isolante

metalS D

Não há corrente elétrica entre SD

MOSFET

isolante

metalS D

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.

MOSFET

isolante

metalS D

Canal negativo se forma

MOSFET

isolante

metalS D

Corrente

elétrica

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

isolante

metalS D

isolante

metalS D

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

isolante

metalS D

isolante

metalS D

Tipo P funciona de forma

análoga invertendo as

cargas e polaridade

SIMBOLOGIA DE CMOS

G=1 S=D

Chave fechada

G=0 S=D

Chave fechada

condução

de cargas

negativas

condução

de cargas

positivas

NOSSA PRIMEIRA PORTA LÓGICA...O QUE ELA FAZ?

FABRICAÇÃO DE CMOS

CONSTRUÇÃO DE UM CMOS

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

TESTE DE UM CMOS

Testa circuito no

waffer

Recorta CIs

Testa CIs

Encapsula Testa CI

MÁSCARA DE UM INVERSOR CMOS

WAFFER PRONTO

PROCESSADOR (DIE)

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

Source DrainGate

lenght

TENDÊNCIA

lenght

+/- 50

átomos

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)

Playground

maior!

TRANSISTORES TRI-GATE

CONSUMO DE POTÊNCIA (WATTS)

𝑃 = 𝐶𝑉2𝑓

Energia

chavear

(joules)

Chaveamentos

por segundo

(hertz)

PORTAS LÓGICAS IMPLEMENTADAS CHAVES

INTRODUÇÃO A CIRCUITOS COM CHAVES

Antes de considerar os transistores, vamos ver a implementação usando chaves simples.

Controle=0

Circuito aberto

(interrompido)

Controle=1

Circuito fechado

INVERSOR COM CHAVES

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.

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.

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.

EXEMPLO DE PORTA LÓGICA COM CHAVES

Que porta lógica é essa?

A REVOLUÇÃO DIGITAL FOI FEITA DE CMOS!

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