Sala 5017 E [email protected] 14 VF.pdf · MOSFET 3 Já sabemos como criar um MOSFET, a partir de...
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Microeletrônica
Prof. Fernando Massa Fernandeshttps://www.fermassa.com/Microeletrônica.php
(Prof. Germano Maioli Penello)
Sala 5017 [email protected]
http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Microeletronica_2016-2.html
1
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Capacitores
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Processos CMOS podem conter uma segunda camada de polisilício chamada poly2.
Importante para:Capacitores poly-polyMOSFETsDispositivos de portas flutuantes (EPROM, memória FLASH, por exemplo)
Muzaffer A. Siddiqi, Dynamic RAM technology advancements, CRC 2013
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MOSFET
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Já sabemos como criar um MOSFET, a partir de agora veremos os detalhes de como otimizar o leiaute de um MOSFET para reduzir os efeitos parasíticos.
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MOSFET
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Difusão lateral
O dopante difunde lateralmente criando um MOSFET de comprimento Leff
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MOSFET
5Reveja aula 10!
A implantação LDD (lightly doped drain) é feita para minimizar a difusão lateral.Depois da LDD é feita a deposição de um espaçador e só então a dopagem p+ ou n+ é realizada.
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MOSFET
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Oxide encroachment (invasão do óxido)
O óxido invade a região ativa e reduz a área do transistor. Para compensar, o leiaute pode ser aumentado antes de fazer a máscara que define a região ativa.
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MOSFET
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Capacitância parasítica de depleção de fonte e dreno
Modelo SPICE:
Não confundir capacitância de depleção (polarização reversa) com capacitância de difusão (polarização direta)!
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MOSFET
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Resistência parasítica de fonte e dreno
O comprimento da região ativa aumenta a resistência parasítica em série com o MOSFET, determinada pelo número de quadrados na fonte (NRS) e dreno (NSD)
NRS = comprimento da fonte / largura da fonte
Resistência de folha incluída no modelo SPICE como rsh (confira o valor no processo C5)
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MOSFET
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Long-length (Comprimento longo)
O comprimento é obtido pela interseção entre o poly e a região ativa (acompanhando o sentido da corrente).
Veremos adiante no curso que o MOSFET de comprimento longo tem uma resistência efetiva de chaveamento mais elevada
O que está faltando neste leiaute para construir um MOSFET real?
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Large-Width (Largura larga)
O que está faltando neste leiaute para construir um MOSFET real?
A largura é obtido pela interseção entre o poly e a região ativa. (perpendicular ao sentido da corrente)
Largura total é a soma das larguras
Conexão em paralelo
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A mesma abordagem pode ser feita para aumentar o comprimento do MOSFET
Conexão em série
Nomenclatura
larguracomprimento
10/2
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MOSFET
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Capacitância parasítica
As capacitância parasíticas dependem da área da regíão ativa. Num desenho com números pares de capacitores, a região ativa de um terminal é maior que a do outro. Neste desenho, a área do S é maior que a do D.
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MOSFET
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Capacitância parasítica
Para obter boa resposta a altas frequências, é desejado que a capacitância maior seja aterrada (para NMOS) ou conectada ao VDD (PMOS)
Maior capacitância
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MOSFET
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Capacitância parasítica
Para obter boa resposta a altas frequências, é desejado que a capacitância maior seja aterrada (para NMOS) ou conectada ao VDD (PMOS)
Maior capacitância
Verifique a descarga dos capacitores da figura à direita considerando o MOSFET como chave.
Menor capacitância
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MOSFET
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Capacitância parasítica
Para obter boa resposta a altas frequências, é desejado que a capacitância maior seja aterrada (para NMOS) ou conectada ao VDD (PMOS)
Maior capacitância
A menor capacitância descarrega pelos dois capacitores (maior resistência no caminho de descarga) enquanto a maior capacitância não carrega nem descarrega.
Menor capacitância
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Capacitância parasítica
Dispositivo operando na região de inversão forte (strong inversion region)
Capacitância não depende da extensão da difusão lateral
Canal formado entre o dreno e a fonte
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Capacitância parasítica
Dispositivo operando na região de depleção. Não há canal entre o dreno e fonte.
Capacitância depende da extensão da difusão lateral
Os parâmetros CGDO (gate-drain overlap capacitance) e CGSO são estipulados no modelo SPICE. Confira os valores no modelo do processo C5.
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MOSFET
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Capacitância parasítica
Os modelos do MOSFET devem incluir capacitâncias entre seus terminais e que essas capacitâncias dependem da região de operação do MOSFET.
Imagem SEM
Quantos transistores temos nesta imagem?
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Exemplos de leiautes
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Capacitores apenas com camadas de metal.Processos com apenas uma camada poly não dá pra fazer capacitor poly-poly
Desprezando a capacitância de bordas (placas de área grande)
Ex: Capacitor de 1pF 50aF/m2 com área de lados de 100 m e 200m.Problema! Capacitância metal1 substrato grande! ~80% a 100%!
Respostas mais lentas e desperdício de energia
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Exemplos de leiautes
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Capacitores apenas com camadas de metal.Processos com apenas uma camada poly não dá pra fazer capacitor poly-poly
Driblando o problema
Ex: Capacitor de 1pF 50aF/m2 com área de lados de 100 m e 66m. Área reduzida por 1/3 (considerando que as espessuras entre os metais são iguais.)
Normalmente o valor absoluto não importa, o importante é a razão entre capacitores.
Desprezando a capacitância de bordas (placas de área grande)
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Exemplos de leiautes
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Capacitores apenas com camadas de metal.Processos com apenas uma camada poly não dá pra fazer capacitor poly-poly
Normalmente o valor absoluto não importa, o importante é a razão entre capacitores.
Ex: Resistor tipo capacitor-comutado R > 1MΩ (menor atraso)
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Exemplos de leiautes
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Capacitores apenas com camadas de metal.
Efeito de franjas (efeito de borda)
Capacitância entre metais da mesma camada.
Tipicamente 50 aF/m vs. 25 aF/m da capacitância de borda com o substrato
“Visualizar as linhas de campo ajuda na interpretação das capacitâncias parasíticas dominantes” => Capacitância entre o substrato é reduzida
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Exemplos de leiautes
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Capacitores apenas com camadas de metal.
Capacitância entre vias (também chamada de capacitor lateral).
Tipicamente 500 aF/m vs. 25 aF/m da capacitância de borda com o substrato
A adição de vias aumenta a capacitância lateral, mas não linearmente.
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Exemplos de leiautes
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Capacitores apenas com camadas de metal.
Capacitância com o topo
Para evitar acoplamento no topo, uma placa aterrada é colocada acima do capacitor.
Permite que sinais digitais ruidosos possam ser utilizados evitando interferência.
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Exemplos de leiautes
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Resistores de polisilício
Melhor performance quando necessita-se de razões precisas entre resistências (não forma junções pn como a resistência de poço-n).
Melhor casamento, melhor comportamento em função da temperatura e tensão
Em geral, tamanho mínimo da largura e comprimento de 10 a 100
Por exemplo, para um processo de canal-curto, onde = 50 nm, a largura mínima do resistor de poli será de 500 nm.
Resistores largos dissipam melhor o calor – menores efeitos de eletromigração → R = ρ (L/A)
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Exemplos de leiautesResistores de polisilício
Em geral, tamanho mínimo da largura e comprimento de 10 a 100Resistores largos dissipam melhor o calor – menores efeitos de eletromigração)
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Exemplos de leiautesResistores de polisilício
Modulação de condutividade
Metal com potencial maior acima do polisilício atrai elétrons causando regiões de resistividade baixa
Para reduzir modulação da condutividade:•Evitar metal acima do resistor de polisilício•Aumentar a distância entre o metal e o polisilício (metais das camadas superiores)•Inserir escudo de condução aterrado como no capacitor
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Exemplos de leiautesResistores de polisilício
Exemplo: Conversor digital analógico(DAC) tipo rede resistiva com pesosBinários.
http://www.paulotrentin.com.br/eletronica/conversor-dac-atraves-da-rede-de-escada-r2r/
https://www2.pcs.usp.br/~labdig/pdffiles_2009/2498-convDA-2005.pdf
*Exemplo de aplicação de um amplificador somador.
Rede resistiva tipo R-2R →
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Exemplos de leiautesResistores de polisilício
Rede resistiva tipo R-2R(R-2R resistor string)
Leiaute mínimo (área mínima)
Conversor digital analógico(DAC) integrado comtecnologia CMOS
http://www.paulotrentin.com.br/eletronica/conversor-dac-atraves-da-rede-de-escada-r2r/
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Exemplos de leiautesResistores de polisilício
http://www.paulotrentin.com.br/eletronica/conversor-dac-atraves-da-rede-de-escada-r2r/
Por que usar dummy?
Rede resistiva tipo R-2R(R-2R resistor string)
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Exemplos de leiautesResistores de polisilício
http://www.paulotrentin.com.br/eletronica/conversor-dac-atraves-da-rede-de-escada-r2r/
Rede resistiva tipo R-2R(R-2R resistor string)
*Se a área ocupada não for problema, a rede capacitiva proporcionaria maior precisão!
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Exemplos de leiautesResistores de polisilício
http://www.paulotrentin.com.br/eletronica/conversor-dac-atraves-da-rede-de-escada-r2r/
Onde ficam o MSB, LSB, Term. e Vout?
Rede resistiva tipo R-2R(R-2R resistor string)
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Exemplos de leiautesResistores de polisilício
http://www.paulotrentin.com.br/eletronica/conversor-dac-atraves-da-rede-de-escada-r2r/
VoutMSB Term.LSB
Rede resistiva tipo R-2R(R-2R resistor string)