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IE733 – Prof. Jacobus Cap. 5 Transistores MOS com canal implantado. (parte 1)

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1 IE733 – Prof. Jacobus Cap. 5 Transistores MOS com canal implantado. (parte 1)

2 5.1 Introdução Substrato uniforme B S G D B S G D Cap. 4 Cap.5 região implantada Substrato não uniforme A dopagem do substrato é modificada localmente entre a região de fonte e dreno. A técnica usada é a de implantação iônica. O principal objetivo é ajustar a tensão de limiar dos transistores para um valor desejável e modificar outras características (por ex. punchthrough).

3 Neste capítulo veremos: Transistores nMOS de enriquecimento; Transistores nMOS de depleção; Transistores pMOS de enriquecimento; Efeitos mais importantes associados aos transistores com canal implantado; Modelos e resultados analíticos para cada tipo; Os resultados quantitativos serão limitados a corrente de deriva. Introdução

4 5.2 Transistores nMOS de Enriquecimento – Considerações iniciais: Para circuitos digitais: V T deve ser alto suficiente para que a corrente seja desprezível quando V GS =0V (corrente de fuga pequena), porém; V T não dever ser muito alto pois deve-se atingir grandes valores de corrente com o máximo valor possível de V GS – (operação em altas velocidades) Para a tecnologia atual, V GS = V DD =1V e V T = 0.25V V T para dispositivos sem implantação de canal (cap.4)

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6 Transistores nMOS de Enriquecimento Tecnologia atual:Q0Q0 C ox pois, Tox V FB MS então, para um valor de V T suficientemente positivo: para isso, N A porém, substrato com alta dopagem implica em: grande variação de V T com V SB, aumento do valor de S (slope), aumento do valor das capacitâncias de junção (reduz a velocidade dos CIs). Como resolver ? Do cap. 4: S=2.3n t

7 Implantação de íons aceitadores próximo à superfície!!! A concentração do substrato (N A ) não aumenta Efeito de corpo e capacitâncias de junção são mantidas pequenas Transistores nMOS de Enriquecimento Altera efetivamente o valor de Q 0 V FB VT.VT. Átomos aceitadores ionizadoscarga negativa Porém a implantação de íons próximo à superfície não é adequada para dispositivos de canal curto (cap. 6). punchthrough. Nota-se então que o projeto de dispositivos com canal implantado não é um tarefa fácil!!! Geralmente são usadas duas implantações.

8 Transistor com canal implantado e MOS de três terminais correspondente: Fig. 5.2

9 Transistores nMOS de Enriquecimento A implantação de íons é caracterizada pela dose efetiva (número de íons implantados/cm 2 – de a /cm 2 ) e pela energia cinética média dos íons (5 a 200 keV). Ex.: Dose de 1x10 12 cm -2 Energia de 60 KeV. A distribuição inicial dos íons no semicondutor é aprox. gaussiana. Após a difusão dos dopantes causada pelas etapas térmicas, a forma da distribuição é a da figura 5.3a. Para facilitar as análises, usa-se a distribuição da figura 5.3b. As constantes N I e d I devem ser apropriadamente escolhidas para resultar modelos precisos. Ex.: d I = R P + R P (~0.1 m) como chute inicial

10 5.2.2 – Cargas e tensões de limiar. Transistores nMOS de Enriquecimento V I é a tensão V CB quando d Bm = d I. d Bm – largura da região de depleção enquanto em inversão forte. d I – profundidade da região implantada. Em inversão forte e aumentando V CB, a região de depleção aumenta até chegar na profundidade d I para V CB =V I. Enquanto V CB V I podemos considerar o dispositivo como sendo gate/óxido/região implantada, assim, a dopagem efetiva do substrato desse dispositivo será: N AS = N AB + N I d Bm < d I Para V CB baixo e aumentando V GB :

11 Transistores nMOS de Enriquecimento Do cap. 3 e substituindo N A por N AS ; Para V CB V I Quando V CB = V I, temos d Bm = d I ; do transistor não implantado: ( 01 um pouco maior que 0 do não implantado)

12 Assumindo V GB suficiente para manter inversão forte e fazendo V CB > V I, a região de depleção será maior que a profundidade região implantada, daí: Transistores nMOS de Enriquecimento As aproximações anteriores não valem!! Região com dopagem N AS seguida de uma dopagem N AB. Cap. 3 – Em inversão forte, S 01 + V CB, assim:

13 Transistores nMOS de Enriquecimento V CB V I M é a dose de implantação (cm -2 ). Se M=0, Q B2 é igual para dispositivos sem implantação. Obs: Caso d I 0, V T2 = V T1 com V FB aumentado por q.M/C ox. Os íons implantados estão próximos à superfície e eles atuam na carga de interface Q 0. Por eletrostática (apêndice B e probl. 5.11):

14 Podemos re-escrever : Considerando um dispositivo fictício sem implantação: V T2 será idêntico à expressão anterior se escolhermos: V FB2 > V FB1 02 < 01 2 < 1 Expressão final: Transistores nMOS de Enriquecimento Eq a,b

15 Para o caso do transistor: Transistores nMOS de Enriquecimento Dopagem N AS uniformeV T = V T1 1 curva a Dopagem N AB uniforme 2 curva bs/ implantação Dopagem N AB uniforme mas com implantação rasa Fig. 5.5a Altera o valor de Q 0 Fig. 5.5b V FB + q.M/C ox curva c d I 0

16 Podemos incluir estas expressões de V T nos modelos de corrente do cap. 4, ajustando N I e d I para ajuste das curvas. É uma aproximação, pois modelos do cap. 4 são p/ N A =cte. Alternativa: desenvolver modelo com N A não uniforme. Depende da necessidade e/ou interesse.

17 Transistores nMOS de Enriquecimento – Modelo de corrente para inversão forte – Fonte/Dreno Se V DB V SB, então V CB varia ao longo do canal e a região de depleção também. Q I vai ser função de V CB (x), que pode ser maior ou menor que V I ! Assumindo V DB >V SB (V DS >0) temos 3 casos: 1 o – V SB < V DB V I Região de depleção dentro da região implantada. Eq Não saturação.

18 Em toda região vale V CB < V I, assim (5.2.28a e ): 2 o – V I V SB < V DB Região de depleção fora da região implantada. Em toda região vale V CB > V I, Transistores nMOS de Enriquecimento cap. 4 I DSN = I 2 (V SB,V DB ) I DSN = I 1 (V SB,V DB ) usando a eq. acima com i=2 Eq

19 Transistores nMOS de Enriquecimento 3 o – V SB < V I < V DB No ponto onde d I = profund. de implantação, ou seja, V CB = V I, temos: I DSN = I 1 (V SB,V I )+ I 2 (V I,V DB ) Resumidamente:

20 Transistores nMOS de Enriquecimento - Região de Saturação, I constante. V DB (pinchoff) V P1. Se V P1 < V I Se V DB (pinchoff) > V I obtém-se: Assumindo V SB fixo e V DB variando. Se V SB < V I V P1 se < V I Se V SB V I V P2 Desconsiderando a modulação do comprimento do canal, o modelo completo passa ser:

21 5.2.4 – Modelo Simplificado para Inversão forte - São apresentados dois parâmetros: I1 (região implantada) e I2 (região sem implantação) Transistores nMOS de Enriquecimento - Expansão da Eq (Prob. 5.2); I1 > I2 I1 e I2 são parâmentros críticos e devem ser cuidadosamente escolhidos para garantir continuidade nos modelos. onde, V Ti, i = 1,2.Eq

22 Transistores nMOS de Enriquecimento - Na região de saturação. - Se V SB < V I e V P < V I - Se V SB V I - Se V I < V SB < V DB Lembrando que V P V DB quando I DSN / V DB = 0

23 Transistores nMOS de Enriquecimento A aproximação por canal não implantado apresenta resultados satisfatórios quando a dose implantada é pequena. V SB = 0 e V GB pequeno V P < V I curva tracejada 1 V SB = 0 e V GB grande V P > V I curva tracejada 2 Quando V SB > V I continuidade!!! - Dispositivo com alta dose de implantação(simulado); - Note que V Textr.1 < V Textr.2

24 Transistores nMOS de Enriquecimento –Inversão Fraca Para V SB > V I, a região de depleção fica fora da região implantada e o dispositivo se comporta como um sem implantação Para V SB = 0, a região de depleção fica dentro da região implantada; = 1 assim, n e S (slope) Portanto, a implantação de ajuste de V T deve ser projetada para que a região de depleção mantenha-se na região não implantada do substrato. A região de depleção também não deve ser muito grande pois podem aparecer efeitos de canal curto (cap. 6) Dificuldade para projetar circuitos analógicos, baseados no comporta- mento exponencial nesta região.


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