VLSI Transístores  1

FEUP/DEECSetembro de 2007

Transístores MOSJoão Canas Ferreira

Tópicos deProjecto de Circuitos VLSI

VLSI Transístores  2

Conteúdo

Inclui figuras de:J. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nikolic

Digital Integrated Circuits, 2ª ed, Prentice­HallCopyright 2003 Prentice­Hall/Pearson 

 Transístores MOS: modelos estáticos modelo clássico modelo DSM

 Comportamento dinâmico Fenómenos adicionais relevantes

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Objectivos

 Compreensão intuitiva da operação do MOSFET (revisão) Introdução das equações básicas de funcionamento (revisão) Introdução de modelos simplificados para análise manual (estática & dinâmica) Análise de efeitos de 2ª ordem (transístores DSM)

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Transístor MOS

Poli-silício Alumínio

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Conceito de tensão de limiar

n+n+

p-substrate

DSG

B

VGS

+

-

DepletionRegion

n-channel

Condução: VGS > VT

NMOS: VB=0,    PMOS: VB=VDD

VLSI Transístores  6

A tensão de limiarPotencial de Fermi:  F=T ln

ni

N A

Zona do canal passa a tipo n (inversão forte) para:   V DS=2F

V T=V T0 ∣−2FV SB∣−∣2F∣

= 2q si N A

Cox

Cox=ox

t ox

si : permitividade eléctrica do silício

com o coeficiente de efeito de corpo

                                               efeito de corpo

T=kTq=26mV , 300º K

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Efeito de corpo

Tensão de limiar pode duplicar.

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Característica de um transístor “tradicional”

Relaçãoquadrática

0 0.5 1 1.5 2 2.50

1

2

3

4

5

6x 10

-4

VDS

(V)

I D (

A)

VGS= 2.5 V

VGS= 2.0 V

VGS= 1.5 V

VGS= 1.0 V

Linear(resistiva)

Saturação

VDS = VGS - VT

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Zona linear de funcionamento

n+n+

p-substrate

D

SG

B

VGS

xL

V(x) +–

VDS

ID

MOS transistor and its bias conditions

I D=k ' nWL [V GS−V T V DS−

V DS2

2 ] V GS−V T≤V DS

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Transístor em saturação

n+n+

S

G

VGS

D

VDS > VGS - VT

VGS - VT+-

Pinch-off

V GS−V DS≤V TI D=k ' n

2WLV GS−V T

2

VLSI Transístores  11

Relação tensão­corrente (canal longo)

k n=k ' n×WL=factor de ganho de um transístor

 λ : parâmetro empírico

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Modelo para análise manual(1ª versão)

VLSI Transístores  13

Relação tensão­corrente para dispositivos DSM

Relaçãolinear

-4

VDS (V)0 0.5 1 1.5 2 2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5x 10

I D (

A)

VGS= 2.5 V

VGS= 2.0 V

VGS= 1.5 V

VGS= 1.0 V

Saturaçãoprematura

(DSM= deep submicron)

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Saturação de velocidade

ξ (V/µm)ξc = 1.5

υ n (m

/s)

υsat = 10 5

Mobilidade constante (declive = µ)

Velocidade constante

(campo eléctrico)

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Comparação entre transístores longos e curtosID

Canal longo

Canal curto

VDSV DSAT VGS - V T

VGS = V DD

V DSAT≈Lsat

n

I DSAT=n CoxWL

V GS−V T V DSAT−V DSAT2

Simplificação empírica:

(com erro considerável na zona de transição entre região linear e de saturação de velocidade)

VLSI Transístores  16

ID versus VGS

0 0.5 1 1.5 2 2.50

1

2

3

4

5

6x 10

-4

VGS (V)

I D (

A)

0 0.5 1 1.5 2 2.50

0.5

1

1.5

2

2.5x 10

-4

VGS (V)

I D (

A)

quadrática

quadrática

linear

Canal longo Canal curto

VLSI Transístores  17

ID versus VDS

-4

VDS (V)0 0.5 1 1.5 2 2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5x 10

I D (

A)

VGS= 2.5 V

VGS= 2.0 V

VGS= 1.5 V

VGS= 1.0 V

0 0.5 1 1.5 2 2.50

1

2

3

4

5

6x 10

-4

VDS (V)

I D (

A)

VGS= 2.5 V

VGS= 2.0 V

VGS= 1.5 V

VGS= 1.0 V

Linear Saturação

VDS = VGS - VT

Canal longo Canal curto

Atenção: As escalas verticais são diferentes.

saturaçãode velocidade

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Modelo unificado para análise manual

S D

G

B

(segunda versão)

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Modelo simples versus SPICE 

0 0.5 1 1.5 2 2.50

0.5

1

1.5

2

2.5x 10

-4

VDS

(V)

I D (

A)

Saturação develocidade

Linear

Saturação

VDSAT=VGT

VDS=VDSAT

VDS=VGT

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Transístor PMOS

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0x 10

-4

VDS (V)

I D (

A) Todas as variáveis são

negativas

VGS = -1.0V

VGS = -1.5V

VGS = -2.0V

VGS = -2.5V

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Parâmetros  para análise manual

VLSI Transístores  22

O transístor como interruptor

VGS ≥ VT

R o nS D

Ron é não­linear, varia com t e depende do ponto de funcionamento

Req=1

t 2−t 1∫t1

t2

Ront dt

Req≈12Ront1Ront 2

Descarga de condensador de VDD a VDD/2

ID

VDS

VGS = VD D

VDD/2 VDD

R0

Rmid

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Conteúdo

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 Transístores MOS: modelos estáticos modelo clássico modelo DSM

 Comportamento dinâmico Fenómenos adicionais relevantes

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Comportamento dinâmico do transístor

DS

G

B

CGDCGS

CSB CDBCGB

(capacidades parasitas a considerar)

CGS=CGCS+CGS0 CSB = CSdiff

CGD=CGCD+CGD0 CDB =  CDdiff

CGB=CGCB

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Capacidade da porta

tox

n+ n+

Vista de corte

L

Óxido de silício

xd xd

L d

Porta de poli-silício

Vista de cima

Porta-substrato(sobreposição)

Fonte

n+

Dreno

n+W

CGS0= CGD0=Cox xd W = Co W

VLSI Transístores  26

Capacidade da porta: regimes de operação

S D

G

CGC

S D

G

CGC

S D

G

CGC

Cut-off Resistive Saturation

Regiões mais importantes para circuitos digitais: saturação e corte

Notação:  Cgb= CGCB,  Cgs= CGCS, Cgd= CGCD,  Leff= L

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Capacidade da porta

WLCox

WLCox

2

2WLCox

3

CGC

CGCS

VDS /(VGS-VT)

CGCD

0 1

CGC

CGCS = CGCDCGC B

WLCox

WLCox

2

VG S

Capacidade em função de VGS(com VDS = 0)

Capacidade em função do grau de saturação

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Capacidade de difusão

fundo

Parede lateral

parede lateral

Canal

FonteND

Channel-stop

Substrato

W

xj

L S

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Capacidade de junção

0=T ln N A N D

ni2

VD: tensão aos terminais da junção pn

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Linearização da capacidade de junção

Substituir uma capacidade não­linear por uma capacidade equivalente,linear, que desloque a mesma quantidade de carga para a variação de tensão de interesse.

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Capacidades de um processo CMOS 0.25 µm

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 Transístores MOS: modelos estáticos modelo clássico modelo DSM

 Comportamento dinâmico Fenómenos adicionais relevantes

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O transístor sub­micrométrico

►Variação de tensão de limiar

►Condução "sub­limiar"

►Resistências parasitas

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Variação da tensão de limiar

VT

L

limiar para canal longo limiar para VDS baixo

Limiar como função docomprimento (para VDS baixo)

Abaixamento de barreira induzida pelo dreno (DIBL)(para pequeno L)

VDS

VT

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Condução "sub­limiar"

Valores típicos para S:60 .. 100 mV/década

O declive inverso S

S é ∆VGS para ID2/ID1 =10

I D~ I 0 eqV GS

nkT , n≥1

VLSI Transístores  36

Corrente sub­limiar ID vs VGS

I D= I 0 eqV GS

nkT 1−e−

qV DS

kT

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Corrente sub­limiar ID vs VDS

VGS de 0 to 0.3V

I D= I 0 eqV GS

nkT 1−e−

qV DS

kT 1V DS

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Regiões de operação: resumo

Inversão forte VGS  > VT

Linear (resistiva) VDS  < VDSAT

Saturado (corrente constante) VDS  ≥ VDSAT

Inversão fraca (sub­limiar) VGS  ≤ VT

Exponencial em VGS e dependência linear de VDS

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Resistências parasitas de fonte e dreno

W

LD

Drain

Draincontact

Polysilicon gate

DS

G

RS RD

VGS,eff