Transístores MOS Assuntos - .Transístores MOS João Canas Ferreira Universidade do Porto Faculdade

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Transstores MOS

Joo Canas Ferreira

Universidade do PortoFaculdade de Engenharia

2012-02-17

Assuntos

1 Modelo de funcionamento do transstor MOS

2 Condensadores intrnsecos

3 Correntes de fugas

Joo Canas Ferreira (FEUP) Transstores MOS 2012-02-17 2 / 30

O que um transstor?

Fonte: [Weste11]

Um interrutor controlado por tenso

ReqVGS VT G|VGS|

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Tenso de limiar

VT = VT0 + (

| 2F + VSB|| 2F|

) =

2qSiNACox

Cox =ox

tox(capacidade por unid. rea)

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Efeito de corpo

Fonte: [Rabaey03]

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Transstor de canal longo Curva tenso/corrente (VDD = 2,5 V)

Condio de saturao: VDS > VGS VT

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Modelo para anlise manual (1)

Definindo:VGT = VGS VT

G

S

ID = f(VGS)

D

VGS

VGT < 0 (corte) IDS = 0

VGT > 0, VDS < VGT (zona linear ou resistiva)

IDS = k nWL

((VGS VT)VDS

V2DS2

) VGT > 0, VDS > VT (saturao)

IDS =k n2

WL(VGS VT)2(1 + VDS)

Tenso de limiar:

VT = VT0 + (

| 2F + VSB|

| 2F|)

k n = nCox n : mobilidade dos eletres

= nCox WL : fator de modulao de canal

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Transstor de canal curto

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Saturao de velocidade

Fonte: [Rabaey03]

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Comparao

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Modelo unificado para anlise manual (2)

G

S

ID = f(VGS)

D

VGS

Para transstor NMOS:

Definindo: VGT = VGS VT

Vmin = min(VGT, VDS, VDSAT)

VGT 6 0IDS = 0

VGT > 0

IDS = k nWL

(VGTVmin

V2min2

)(1 + VDS)

Tenso de limiar

VT = VT0 + (

| 2F + VSB|

| 2F|)

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Zonas de funcionamento

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Transstor PMOS

Fonte: [Rabaey03]

As variveis assumem valores negativos Condio de corte: VGT > 0 No modelo de anlise manual: Vmin Vmax = max(VGT, VDS, VDSAT)

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Resistncia equivalente

Ron no-linear, varivel com te depende do ponto de funciona-mento

Aproximao: valor que leve aomesmo tempo de descarga de umcondensador entre VDD e VDD/2.

Req =1

t2 t1

t2t1

Ron(t) dt ou Req 12(Ron(t1) + Ron(t2))

Req =12

(VDD

IDSAT(1 + VDD)+

VDD/2IDSAT(1 + VDD/2)

) 3

4VDDIDSAT

(1

56VDD

)

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Evoluo da resistncia equivalente

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Parmetros para processo de 0,25 m

Parmetros do modelo unificado

VT0 (V) (

V) VDSAT (V) k (A/V2) (1/V)

NMOS 0,43 0,4 0,63 111 10-6 0,06PMOS 0,4 0,4 1 30 10-6 0,1

Resistncia equivalente Req para W/L=1.(Para outros transstores, dividir Req por W/L)

VDD (V) 1 1,5 2 2,5

NMOS (k) 35 19 15 13PMOS (k) 115 55 38 31

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Condensadores intrnsecos do transstor MOS

CGS = CGCS + CGSO

CGD = CGCD + CGDO

CGB = CGCB

CSB = CSdiff

CDB = CDdiff

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Capacidades da porta

CGB = Cgate =ox

toxWL

CGSO = CGDO = CoxxdW = C0W

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Capacidade da porta: regimes de operao

Fonte: [Rabaey03]

Regio CGCB(Cgb) CGCS(Cgs) CGCD(Cgd)

Corte CoxWL 0 0Linear 0 CoxWL/2 CoxWL/2

Saturao 0 (2/3)CoxWL 0

Regies mais importantes: saturao e corte.

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Comportamento da capacidade da porta

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Capacidades de difuso

Fonte: [Rabaey03]

Cdiff = Cbottom + Csw = Cj rea + Cjsw permetro

Cdiff = CjLSW + Cjsw(2LS + W)

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Capacidade de juno (dodo)

Fonte: [Rabaey03]

0 = T ln(NANDn2i

) T =KTq

= 26 mV a 300 K

VD: tenso aos terminais da juno pnJoo Canas Ferreira (FEUP) Transstores MOS 2012-02-17 22 / 30

Linearizao da capacidade de juno

Substituir uma capacidade nolinear por uma capacidade equivalente, linear,que movimente a mesma quantidade de carga para a variao de tenso deinteresse.

Ceq =QjVD

=Qj(Vhigh) Qj(Vlow)

Vhigh Vlow= KeqCj0

Manipulando a expresso obtm-se:

Keq =m0

(Vhigh Vlow)(1 m)

[(0 Vhigh)

1m (0 Vlow)1m]

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Parmetros capacitivos para processo de 0,25 m

Cox CO Cj0 mj b(fF/m2) (fF/m) (fF/m2) (V)

NMOS 6 0,31 2 0,5 0,9PMOS 6 0,27 1,9 0,48 0,9

Cjsw0 mjsw bsw(fF/m) (V)

NMOS 0,28 0,44 0,9PMOS 0,22 0,32 0,9

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Origens das correntes de fugas

I Transstor em OFF apresenta pequenas correntesI Origem:

1 |IDS| 6= 0 para VGS < VT (substhreshold current)2 corrente entre porta e substrato (atravs do isolante da porta)3 corrente de fugas das junes fonte/substrato e dreno/substrato

Fonte: [Weste11]

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Exemplo: curva I-V para processo 65 nm

Fonte: [Weste11]

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Corrente fonte/dreno A corrente neste regime dada por:

IDS = IDS0 eVGSVT+VDS

nVT

(1 e

VDSVT

)I n: parmetro dependente do processo (valor tpico: 1,31,7)I : coeficiente usado para modelar o efeito do campo eltrico criado por

VDS sobre VT (DIBL = drain-induced barrier lowering):

VT = VT0 VDS

I IDS0: corrente no limiar (geralmente obtida por simulao/medida)

IDS0 = VT2 e1,8

1,8: valor empricoI A evoluo da corrente caraterizada pelo declive S:

S =[

d log10(IDS)dVGS

]1= nVT ln(10)

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Corrente porta/substrato Origem: efeito de tnel direto (efeito quntico) [afeta muito mais nMOS] A corrente de fugas pode ser estimada por:

IG = WA(

VDDtox

)2eB

toxVDD

A e B so constantes ligadas tecnologia.

Fonte: [Weste11]

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Correntes de fugas das junes

Fonte: [Weste11]

I Junes contra-polarizadas: corrente de fugas 0,10,01 fA/m2

I Para concentraes de dopantes elevadas (fonte ou dreno) podem ganharimportncia vrios mecanismos:

I band-to-band tunneling (BTBT) provoca uma corrente de fugas junto daparede lateral para a zona do canal (maior concentrao de dopante);

I gate-induced drain leakage (GIDL): ocorre quando a porta se sobrepe aodreno (com tenso de dreno alta e tenso de porta baixa).

Apenas importante quando tenso de porta vem abaixo de 0 (nMOS) [numatentativa de reduzir corrente de fugas IDS].

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Referncias

As figuras usadas provm dos seguintes livros:

Rabaey03 J. M. Rabaey et al, Digital Integrated Circuits, 2 edio,PrenticeHall, 2003.http://bwrc.eecs.berkeley.edu/icbook/

Weste11 N. Weste, D. Harris, CMOS VLSI Design, 4 edio, PearsonEducation, 2011.http://www3.hmc.edu/~harris/cmosvlsi/4e/index.html

Joo Canas Ferreira (FEUP) Transstores MOS 2012-02-17 30 / 30

http://bwrc.eecs.berkeley.edu/icbook/http://www3.hmc.edu/~harris/cmosvlsi/4e/index.html

Modelo de funcionamento do transstor MOSCondensadores intrnsecosCorrentes de fugas