Microeletrônica

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

(Prof. Germano Maioli Penello)

Sala 5017 Efermassa@lee.uerj.br

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

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Modelos para projetos digitais

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Após ver alguns detalhes da fabricação dos MOSFETs, agora veremos modelos que utilizaremos em designs digitais

De uma forma simples, o MOSFET é analisado em projetos digitais como uma chave logicamente controlada.

Modelos para projetos digitais

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Um dos pontos importantes em um circuito digital é o tempo de resposta do MOSFET. Para determinar o tempo de resposta, temos que associar ao MOSFET uma capacitância e uma resistência.

Efeito Miller

Considere o seguinte circuito:

Inicialmente: Vin = VDD e Vout = 0

Se as tensões mudarem: Vin = 0 e Vout = VDD

Modelos para projetos digitais

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Efeito Miller

Considere o seguinte circuito:

Inicialmente: Vin = VDD e Vout = 0

Se as tensões mudarem: Vin = 0 e Vout = VDD

A carga final fornecida é

Modelos para projetos digitais

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Efeito Miller

Neste exemplo, a capacitância vista pela fonte de entrada e de saída é o dobro da capacitância conectada entre a entrada e a saída

Usaremos este resultado para construir um modelo de MOSFET para análise digital.

Modelo de MOSFET digital

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Resistência de chaveamento efetiva

Inicialmente o MOSFET está desligado (VGS = 0) e o dreno está em VDD. Aplicando instantaneamente uma tensão VDD na porta a corrente ID que flui inicialmente é:

Modelo de MOSFET digital

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Resistência de chaveamento efetiva

Como estimar uma resistência para este resultado?

Modelo de MOSFET digitalResistência de chaveamento efetiva

Como estimar uma resistência para este resultado?

Inverso da inclinação da reta

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Modelo de MOSFET digitalResistência de chaveamento efetiva

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Modelo inicial para um MOSFET chaveando

Limitação desse modelo: Consideração feita que o tempo de subida e de descida é zero. O ponto que define a chave aberta e fechada é bem definido.

Usado para cálculo a mão, apresentam resultados dentro de um fator de dois do resultado obtido por simulação ou pela experiência.

Modelo de MOSFET digitalResistência de chaveamento efetiva

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O modelo feito aqui não inclui a redução da mobilidade observada em dispositivos submicron. Um melhor resultado é obtido através de valores medidos ou simulados:

NMOS de canal longo (fator de escala de 1 m e VDD = 5V)

PMOS de canal longo (fator de escala de 1 m e VDD = 5V)

mobilidade do elétron é maior que a do buraco

Modelo de MOSFET digitalResistência de chaveamento efetiva

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MOSFETs de canal curto não seguem a lei quadrática para a corrente!

NMOS de canal curto

PMOS de canal curto

Usamos a corrente Ion para estimar a resistência

Modelo de MOSFET digitalResistência de chaveamento efetiva

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MOSFETs de canal curto não seguem a lei quadrática para a corrente!

NMOS de canal curto (fator de escala de 50 nm e VDD =1V)

PMOS de canal curto (fator de escala de 50 nm e VDD =1V)

Usamos a corrente Ion para estimar a resistência

Equações reescritas para incluir L (quando L > ~2)

Modelo de MOSFET digitalEfeitos Capacitivos

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Adicionando efeitos das capacitâncias no modelo

Cox é a capacitância na região de triodo (superestimado para facilitar as contas à mão – cálculo melhor é feito com simulações)

Capacitância é vista como 2(Cox/2) = Cox

Modelo de MOSFET digitalEfeitos Capacitivos

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Adicionando efeitos das capacitâncias no modelo

Modelo melhorado

Modelo de MOSFET digitalConstante de tempo

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Qual é a velocidade de chaveamento do MOSFET?

Constante de tempo n = RnCox

Canal longo:

Mais lento - quadraticamente com LIndependente de WMais rápido para VDD maior

Canal curto:

Mais lento linearmente com LIndependente de WMais lento para VDD maior

Modelo de MOSFET digital

Resumo

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Tempo de transição e de atraso

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Relembrando

Tempo de transição e de atraso

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Tempo de subida - tr

Tempo de descida- tf

Tempo de subida da saída- tLH

Tempo de descida da saída- tHL

Tempo de atraso low to high - tPLH Tempo de atraso high to low - tPHL

Tempo de transição e de atraso

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No nosso modelo digital:

Ctot = capacitância total entre o dreno e o terra.

Modelo simplificado para ser usado no cálculo a mão apenas!

Exemplo

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Descarga Carga

Exemplo

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Descarga Carga

Canal longo

Canal curto (maior resistência de canal)

Exemplo

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Descarga Carga

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Simulação

Exemplo

Projeto digital

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Por que NMOS e PMOS têm tamanhos diferentes?

Projeto digital

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Por que NMOS e PMOS têm tamanhos diferentes?

Casamento da resistência de chaveamento efetiva

Trabalho 4 – Par CMOS

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No circuito esquemático que representa um par complementar de transistores CMOS, o transistor N-MOSFET possui um canal com dimensões 180nm de comprimento e 900nm de largura.O canal do transistor P-MOSFET também possui um comprimento de 180nm.

Trabalho 4 – Par CMOS

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A tecnologia TSMC SCN 018 permite tensão de operação de até 1.8V (Vdd = 1.8V)

O fator de escala nessa tecnologia é de 90nm.

Trabalho 4 – Par CMOS

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A tecnologia TSMC SCN 018 permite tensão de operação de até 1.8V (Vdd = 1.8V)

O fator de escala nessa tecnologia é de 90nm.

Para fazer o Leiaute no Electric →SETTTINGλ = 90 nm

MOCMOS – 6 Metal LayersCMOS Rule set – Deep

Trabalho 4 – Par CMOS

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No circuito esquemático que representa um par complementar de transistores CMOS, o transistor N-MOSFET possui um canal com dimensões 180nm de comprimento e 900nm de largura.O canal do transistor P-MOSFET também possui um comprimento de 180nm.

Trabalho 4 – Par CMOS

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i) Qual deverá ser o valor da largura do canal do transistor P-MOSFET para que a corrente na fonte do P-MOS (Is) quando Vf = 1.8V e Vg = 0V seja igual a corrente de dreno (Id) no N-MOS quando Vf = Vg = 1.8V?

Trabalho 4 – Par CMOS

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i) Qual deverá ser o valor da largura do canal do transistor P-MOSFET para que a corrente na fonte do P-MOS (Is) quando Vf = 1.8V e Vg = 0V seja igual a corrente de dreno (Id) no N-MOS quando Vf = Vg = 1.8V?

Trabalho 4 – Par CMOS

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i) Qual deverá ser o valor da largura do canal do transistor P-MOSFET para que a corrente na fonte do P-MOS (Is) quando Vf = 1.8V e Vg = 0V seja igual a corrente de dreno (Id) no N-MOS quando Vf = Vg = 1.8V?

Trabalho 4 – Par CMOS

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i) Qual deverá ser o valor da largura do canal do transistor P-MOSFET para que a corrente na fonte do P-MOS (Is) quando Vf = 1.8V e Vg = 0V seja igual a corrente de dreno (Id) no N-MOS quando Vf = Vg = 1.8V?

Trabalho 4 – Par CMOS

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ii) Estime o intervalo de temperatura em torno de 27oC para o qual podemos considerar que essa condição é satisfeita. Explique qual foi o seu critério para estabelecer a partir de quais condições o circuito estará operando fora da especificação.

Trabalho 4 – Par CMOS

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No circuito esquemático que representa um par complementar de transistores CMOS, o transistor N-MOSFET possui um canal com dimensões 180nm de comprimento e 900nm de largura.O canal do transistor P-MOSFET também possui um comprimento de 180nm.

i) Qual deverá ser o valor da largura do canal do transistor P-MOSFET para que a corrente na fonte do P-MOS (Is) quando Vf = 1.8V e Vg = 0V seja igual a corrente de dreno (Id) no N-MOS quando Vf = Vg = 1.8V?

ii) Estime o intervalo de temperatura em torno de 27oC para o qual podemos considerar que essa condição é satisfeita. Explique qual foi o seu critério para estabelecer a partir de quais condições de operação o circuito estará operando fora da especificação.

1. Enviar o arquivo LTSpice

2. Enviar síntese da análise em .pdf com:

Printscreens.Valor encontrado W(PMOS) = ?Explicar o valor obtido para a razão W(PMOS)/W(NMOS) e qual o modelo mais apropriado.