Resumo sobre operação de transístores

FEUP/LEEC —PCVLSI 2005/06 Transístores 1

Transístores MOS

Inclui figuras de:

Digital Integrated Circuits, J. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nikolic

Projecto de Circuitos VLSIFEUP/LEEC

2005/06


Transístor MOS

Poli-silício Alumínio


Conceito de tensão de limiar

n+n+

p-substrate

DSG

B

VGS

+

-

DepletionRegion

n-channel

Condução: VGS

> VT

NMOS: VB=0, PMOS: V

B=V

DD


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


Efeito de corpo

Tensão de limiar pode duplicar.


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


Zona linear de funcionamento

n+n+

p-substrate

D

SG

B

VGS

xL

V(x) +–

VDS

ID

MOS transistor and its bias conditions


Transístor em saturação

n+n+

S

G

VGS

D

VDS > VGS - VT

VGS - VT+-

Pinch-offV GS−V DS≤V TI D=

k ' n

2WLV GS−V T

2


Relação tensão-corrente (canal longo)

k n=k ' n×WLfactor de ganho de um transístor

λ : parâmetro empírico


Modelo para análise manual(1ª versão)


Relação tensão-corrente 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)


Saturação de velocidade

ξ (V/µm)ξc = 1.5

υ n (m

/s)

υsat = 10 5

Mobilidade constante (declive = µ)

Velocidade constante

(campo eléctrico)


Comparação entre transístores longos e curtos

IDCanal longo

Canal curto

VDSV DSAT VGS - V T

VGS = VDD

V DSAT≈Lsat

n

I DSAT=n C oxWL V GS−V T V DSAT−V DSAT

2

Simplificação empírica:


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


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


Modelo unificado para análise manual

S D

G

B

(segunda versão)


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


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


Parâmetros para análise manual


O transístor como interruptor

VGS ≥ VT

R o nS D

ID

VDS

VGS = VD D

VDD/2 VDD

R0

Rmid

Ron é não-linear, 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


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


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-substratosobreposição

Fonte

n+

Dreno

n+W

CGS0

= CGD0

=Cox

xd W = C

o W


Capacidade da porta: regimes de operação

S D

G

CGC

S D

G

CGCS 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


Capacidade da porta

WLCox

WLCox2

2WLCox3

CGC

CGCS

VDS /(VGS-VT)

CGCD

0 1

CGC

CGCS = CGCDCGC B

WLCox

WLCox2

VGS

Capacidade em função de VGS(com VDS = 0)

Capacidade em função do grau de saturação


Capacidade de difusão

f u n d o

P a re d e l a te ra l

p a re d e l a te ra lC a n a l

F o n teN D

C h a n n e l - s to p

S u b s tra to

W

x j

L S


Capacidade de junção

0=T ln N A N D

ni2 V

D: tensão aos terminais da junção pn


Linearização da capacidade de junção

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


Capacidades de um processo CMOS 0.25 µm


O transístor sub-micrométrico

►Variação de tensão de limiar

►Condução "sub-limiar"

►Resistências parasitas


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


Condução "sub-limiar"

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=1C D

Cox


Corrente sub-limiar ID vs VGS

I D= I 0 eqV GS

nkT 1−e−

qV DS

kT


Corrente sub-limiar ID vs VDS

VGS de 0 to 0.3V

I D= I 0 eqV GS

nkT 1−e−

qV DS

kT 1V DS


Regiões de operação: resumo

►Inversão forte VGS > VT

►Linear (resistiva) VDS < VDSAT

►Saturado (corrente constante) VDS ≥ VDSAT

►Inversão fraca (sub-limiar) VGS ≤ VT

►Exponencial em VGS e dependência linear comVDS


Resistências parasitas

W

LD

Drain

Draincontact

Polysilicon gate

DS

G

RS RD

VGS,eff

Resumo sobre operação de transístores

Documents

Transcript of Resumo sobre operação de transístores