IE733 – Prof. Jacobus Cap. 5 Transistores MOS com canal implantado. (parte 2)

EnriquecimentoDepleção Usando dopagem tipo p no canal a tensão de limiar aumenta – dispositivo enriquecimento. 5.3 Transistores nMOS de Depleção. B S G D n n+n+ n+n+ B S G D p n+n+ n+n+ Se desejarmos fazer um dispositivo tipo depleção (V T significativamente negativo) devemos implantar íons doadores. Para isso, Q’ B deve ser positivo, o que significa que deve existir no canal uma concentração liquida de átomos doadores.

Transistores nMOS de Depleção A implantação tipo n forma uma ligação entre fonte e dreno. Assim para V GS = 0 V existe corrente no canal!! Se V GS for suficientemente negativo, os elétrons próximo à superfície são repelidos, e a superfície torna-se depletada. A condução fica limitada à região tipo n abaixo da superfície. Dispositivos que operam dessa maneira são conhecidos como “dispositivos de canal enterrado” (buried channel) em contraste ao dispositivo anterior, chamado de “dispositivo de canal de superfície”.

Transistores nMOS de Depleção Se considerarmos que todos os íons implantados estão muito próximos à superfície: Q’ 0 vai ser alterado por +q(M), causando um deslocamento do V T de -qM/C’ ox. M = N I.d I → dose de implantação N DS = N I - N AB Vamos analisar os dispositivos com esse tipo de implantação. Mais realisticamente, o perfíl é do tipo:

Transistores nMOS de Depleção – Cargas e tensões de limiar. O substrato tipo p e a implantação tipo n formam uma junção pn O valor de V CB determina a largura da região de depleção e os valores das cargas de cada junção. Usando a aproximação por degrau descrita no apêndice C, temos: carga de cada lado da junção.

Transistores nMOS de Depleção Existe uma região não depletada na implantação n que contém cargas móveis (eletróns) e vai estar disponível para condução. Se diminuirmos V GB (negativo) estas cargas serão repelidas pelas cargas negativas no terminal de porta Definiremos V TB como sendo a tensão V GB (-) onde todos os portadores móveis da região n estão repelidos. V TB, tensão de limiar de porta-susbtrato. V GB ≤ V TB

Transistores nMOS de Depleção Aumentando um pouco mais o valor de V GB : As cargas na porta ficam menos negativas e apenas parte da região implantada fica depletada para a neutralidade de cargas. Os elétrons da parte não depletada formam o canal!! dispositivo de canal enterrado Aumentando mais ainda V GB podemos alcançar o ponto onde não existe depleção de superfície (Q’ G + Q’ 0 = 0) fig 5.12c. O valor de V GB onde isso ocorre vamos denotar por V NB.

Transistores nMOS de Depleção cada elétron está balanceado por um íon doador. Se aumentarmos V GB acima desse ponto, cargas positivas vão aparecer no terminal de porta fazendo com que elétrons se acumulem na superfície da região implantada: os elétrons na camada de acumulação vão contribuir com a condução. V GC = V GB – V CB V GC > V N V GB = V NB V GC = V N

Transistores nMOS de Depleção A partir dessas considerações vamos desenvolver as relações básicas das cargas num dispositivo tipo depleção, lembrando que: Q’ G = C’ ox.  OX - Depleção de superfície. Q’ T (+) são as cargas devido aos átomos doadores ionizados (fig5.12b). Q’ G + Q’ 0 + Q’ T = 0 A equação do potencial indo da porta até o susbtrato é: V GB =  OX +  T + (  bi + V CB ) +  MS Onde  MS é relativo ao substrato não implantado.

Transistores nMOS de Depleção Quando as duas regiões de depleção da fig 5.12b se encontrarem  V TB A carga total nessa região de depleção será igual à carga de íons doadores: usando as expressões de Q’ T e Q’ J resolvendo para V TB ; Esta simplificação é assunto do Prob. 5.5 Das equações acima obtém-se: (assumiu se N I >> N AB ) Onde  é relativo ao substrato não implantado

Transistores nMOS de Depleção O efeito de corpo também está presente neste tipo de dispositivo: ↑ V CB ↑ V T, porém com  1 >  Partindo da fig 5.12b, aumentando V CB com V GB constante o canal pode desaparecer (V GB =V TB ) !!. 1 o ↑ V CB, a região de depleção na junção aumenta. 2 o ↑ V CB, a depleção de superfície aumenta (ver equação Q’ T ). Para um transistor V CB →V SB : (p/ N I >> N AB ) Podemos usar o V T acima nos modelos de I DS de transistores não implantados, ou desenvolver mais modelos específicos.

Transistores nMOS de Depleção Fazendo uma análise mais cuidadosa: A carga móvel na condição de depleção de superfície é devida aos elétrons livres na parte não depletada da implantação, Q’ nb. Se não houver depleção → Q’ nb = número de átomos doadores = q.N DS.d I Se houver, é diminuído um elétron para cada átomo depletado. Os elétrons restantes:

Transistores nMOS de Depleção Nos dispositivos tipo depleção pode acontecer um caso indesejável: P/ N SD e V CB fixos, se d I ↑, para estrangular o canal  T será ↑ Se o potencial for grande, antes do estrangulamento, pode acontecer a inversão de superfície, ou seja, aparecer lacunas. Sendo assim, não é possível estrangular o canal, pois se  T ↑↑ este fica fixo e apenas lacunas ↑ Para evitar, não utilizar alta dose e/ou alta energia para a implantação da camada n!

- Neutralidade de superfície. V NB = tensão V GB para neutralidade de cargas. Q’ G + Q’ 0 = 0 Não há queda de potencial  V GB =  ox +  bi + V CB +  MS ou A mesma análise anterior de cargas móveis pode ser feita, lembrando que neste caso Q’ T = 0, daí: Eq Transistores nMOS de Depleção

- Acumulação de superfície. Com V GB > V NB ; A carga (Q’ na ) é devido aos elétrons na camada de acumulação assumida infinitesimal. A queda de potencial nessa região é desprezível!! Q’ G + Q’ 0 + Q’ na = 0 usando eq A carga total (acumulação + região não depletada) é: Q’ na + Q’ nn Eq

Transistores nMOS de Depleção – Operação do Transistor Com V GS > V T (V SB ) e usando V SB → V CB : O valor efetivo de V CB aumenta da fonte em direção ao dreno; assim a região de depleção será mais profunda próximo ao dreno. Dependendo das tensões nos terminais, podemos ter: 1 o – Se V T < V GS < V N Como V CB (x) aumenta, V T (V CB ) também aumenta, podendo levar o dreno ao estrangulamento. Antes disso caso (a) : V DS < V ’ DS1 - Se a tensão de dreno exceder esse valor (V’ DS1 ) → (b) áreas hachuradas = regiões de depleção

Transistores nMOS de Depleção 2 o - V GS > V N, acumulação de superfície. - Se V DS for pequeno, caso (c). - Se ↑V DS ↑ região de depleção |Q’ J | ↑ próximo ao dreno e ↓ |Q’ na | Se aumentarmos ainda mais V DS, Q’ na tende a desaparecer. Para isto acontecer, V GD < V N (V GD = V GS – V DS )  V DS > V GS –V N caso (d). 3 o – V DS >V’ DS2. Aumentando V DS até o estrangulamento, caso (e).

Transistores nMOS de Depleção Como podemos calcular as correntes nessas regiões ? → Q’ I será substituído pela carga total móvel de cada caso. → As mobilidades não serão as mesmas. Existem diferentes tipos de mecanismos de espalhamento (scattering):  B >  S Considerando os três casos de não-saturação:

Transistores nMOS de Depleção 1 o - Depleção de superfície. A carga total é dada por Q’ nb.  B é a mobilidade no “corpo” da região n. 2 o - Acumulação de superfície. A carga total é dada por Q’ na na região de acumulação e por Q’ nn, devido aos elétons da região não depletada.  S é a mobilidade na superfície.

Transistores nMOS de Depleção 3 o – Acumulação/depleção de superfície. V CBI é o valor de V CB, correnpondente ao ponto do canal, onde se passa da acumulação para a depleção. Nesse ponto Q’ na = 0 V CBI = V GB - V FB -  bi usando eq À esquerda deste ponto temos, Q’ na + Q’ nn, à direita, Q’ nb. Usando as expressões desenvolvidas para Q’ na, Q’ nn, e Q’ nb nas equações anteriores podemos determinar as correntes I DSN. Para o cálculo de V’ DS podemos aplicar a maneira usual dI DSN /dV DS = 0 ou Q ’ nb (V CB =V DB )=0 As expressões I DSN resultantes são complicadas, mas é possível também serem feitas simplificações (expansões por séries) – Tabela 5.1

Tabela 5.1 Transistores nMOS de Depleção

 B  f(V GS ). A mobilidade de superfície pode ser atribuída como dependente de V GS, usando o conceito de mobilidade efetiva. - Degradação da mobilidade para altos valores de V GS. - O desvio para pequenos valores de V GS é devido a corrente de difusão (inversão fraca!), não utilizada nos modelos P/ V T <V GS <V N  I DS ~  B C ’ ox /(1+  ) é < que  S C ’ ox de canal de superfície!

Para o gráfico de √I DS x V GS, (em saturação): Os efeitos são menos pronunciados; predomina o efeito da degradação da mobilidade. I DS = k.(V GS - V T ) 2 Para alguns dispositivos de depleção, a equação acima mostrou-se mais precisa do que para os de enriquecimento com o mesmo substrato. Em alguns simuladores, são atribuídas as mesmas equações para os dispositivos de enriquecimento e depleção, apenas usando valores de V T correspondentes. Pode resultar em erros significativos. Transistores nMOS de Depleção

As equações desenvolvidas (tabela 5.1) não valem para transistores de depleção com implantação profunda. Vai existir um canal quando V SB for pequeno mesmo se V GS for bem negativo. O modelo também não é valido quando duas regiões de depleção estão muito próximas, pois a corrente de difusão torna-se importante, além da aproximação de depleção abrupta tornar-se crítica.

5.3 Transistores pMOS de Enriquecimento. DepleçãoEnriquecimento B S G D n p+p+ p+p+ B S G D p p+p+ p+p+ Usar uma implantação do mesmo tipo do substrato. CMOSn + poly gates V T  -1.2 pMOS Neste caso é necessário aumentar o valor de V T p/ ~ -0.5V Q’ B deve ser negativo → I/I tipo p no canal → pMOS depleção. “transistor compensado” O transistor compensado apresentar muitos efeitos de canal curto. Usa-se CMOS p + poly gates.