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

5.1 Introdução Substrato uniforme Substrato não uniforme G D Cap. 4 B S G D Cap.5 região implantada 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).

Neste capítulo veremos: Transistores nMOS de enriquecimento; Introdução 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.

5.2 Transistores nMOS de Enriquecimento 5.2.1 – Considerações iniciais: VT para dispositivos sem implantação de canal (cap.4) Para circuitos digitais: VT deve ser alto suficiente para que a corrente seja desprezível quando VGS=0V (corrente de fuga pequena), porém; VT não dever ser muito alto pois deve-se atingir grandes valores de corrente com o máximo valor possível de VGS – (operação em altas velocidades) Para a tecnologia atual, VGS = VDD =1V e VT = 0.25V

Transistores nMOS de Enriquecimento Tecnologia atual: Q’0 C’ox pois, Tox  VFB  MS então, para um valor de VT suficientemente positivo:  para isso, NA porém, substrato com alta dopagem implica em: grande variação de VT com VSB, aumento do valor de S (slope), aumento do valor das capacitâncias de junção (reduz a velocidade dos CI’s). Do cap. 4: S=2.3nt Como resolver ?

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

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

Transistores nMOS de Enriquecimento Ex.: Dose de 1x1012 cm-2 Energia de 60 KeV. A implantação de íons é caracterizada pela “dose efetiva” (número de íons implantados/cm2 – de 1011 a 1013/cm2) e pela energia cinética média dos íons (5 a 200 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 NI e dI devem ser apropriadamente escolhidas para resultar modelos precisos. Ex.: dI = RP+RP (~0.1m) como chute inicial

Transistores nMOS de Enriquecimento 5.2.2 – Cargas e tensões de limiar. Transistores nMOS de Enriquecimento Para VCB baixo e aumentando VGB: dBm – largura da região de depleção enquanto em inversão forte. dI – profundidade da região implantada. VI é a tensão VCB quando dBm = dI. dBm < dI Em inversão forte e aumentando VCB, a região de depleção aumenta até chegar na profundidade dI para VCB=VI. Enquanto VCB ≤ VI podemos considerar o dispositivo como sendo gate/óxido/região implantada, assim, a dopagem efetiva do substrato desse dispositivo será: NAS = NAB + NI

Transistores nMOS de Enriquecimento Do cap. 3 e substituindo NA por NAS; Para VCB ≤ VI (01 um pouco maior que 0 do não implantado) do transistor não implantado: Quando VCB = VI, temos dBm = dI;

Transistores nMOS de Enriquecimento Assumindo VGB suficiente para manter inversão forte e fazendo VCB > VI, a região de depleção será maior que a profundidade região implantada, daí: As aproximações anteriores não valem!! Região com dopagem NAS seguida de uma dopagem NAB. Cap. 3 – Em inversão forte, S  01+ VCB, assim:

Transistores nMOS de Enriquecimento Por eletrostática (apêndice B e probl. 5.11): Transistores nMOS de Enriquecimento VCB ≥ VI M é a dose de implantação (cm-2). Se M=0, Q’B2 é igual para dispositivos sem implantação. Obs: Caso dI  0, VT2 = VT1 com VFB aumentado por q.M/C’ox. Os íons implantados estão próximos à superfície e eles atuam na carga de interface Q’0.

Transistores nMOS de Enriquecimento Podemos re-escrever : Transistores nMOS de Enriquecimento Considerando um dispositivo fictício sem implantação: VT2 será idêntico à expressão anterior se escolhermos: VFB2 > VFB1 f02 < f01  Expressão final: g2 < g1 Eq. 5.2.28 a,b

Transistores nMOS de Enriquecimento Para o caso do transistor: Fig. 5.5a Fig. 5.5b Dopagem NAS uniforme g1 VT = VT1 curva a Dopagem NAB uniforme s/ implantação g2 curva b Dopagem NAB uniforme mas com implantação rasa dI  0 Altera o valor de Q’0 VFB + q.M/C’ox curva c

Podemos incluir estas expressões de VT nos modelos de corrente do cap. 4, ajustando NI e dI para ajuste das curvas. É uma aproximação, pois modelos do cap. 4 são p/ NA=cte. Alternativa: desenvolver modelo com NA não uniforme. Depende da necessidade e/ou interesse.

Transistores nMOS de Enriquecimento 5.2.3 – Modelo de corrente para inversão forte – Fonte/Dreno - Não saturação. Se VDB ≠ VSB, então VCB varia ao longo do canal e a região de depleção também. Q’I vai ser função de VCB(x), que pode ser maior ou menor que VI ! Eq. 5.2.33 Assumindo VDB>VSB (VDS>0) temos 3 casos: 1o – VSB < VDB ≤ VI Região de depleção dentro da região implantada.

Transistores nMOS de Enriquecimento Em toda região vale VCB < VI, assim (5.2.28a e 5.2.33): Transistores nMOS de Enriquecimento IDSN = I1(VSB,VDB) cap. 4 Eq. 5.2.35 2o – VI ≤ VSB < VDB Região de depleção fora da região implantada. Em toda região vale VCB > VI, IDSN = I2(VSB,VDB) usando a eq. acima com i=2

Transistores nMOS de Enriquecimento 3o – VSB < VI < VDB No ponto onde dI = profund. de implantação, ou seja, VCB = VI, temos: IDSN = I1(VSB,VI)+ I2(VI,VDB) Resumidamente:

Transistores nMOS de Enriquecimento - Região de Saturação, I constante. Assumindo VSB fixo e VDB variando. VDB(pinchoff) → VP1. Se VP1 < VI Se VDB (pinchoff) > VI obtém-se: Se VSB < VI → VP1 se < VI Se VSB < VI e VP1 > VI → VP2 Desconsiderando a modulação do comprimento do canal, o modelo completo passa ser:

Transistores nMOS de Enriquecimento 5.2.4 – Modelo Simplificado para Inversão forte aI1(região implantada) e aI2 (região sem implantação) - São apresentados dois parâmetros: - Expansão da Eq. 5.2.35 (Prob. 5.2); onde, VTi, i = 1,2. Eq. 5.2.44 aI1 > aI2 aI1 e aI2 são parâmentros críticos e devem ser cuidadosamente escolhidos para garantir continuidade nos modelos.

Transistores nMOS de Enriquecimento - Na região de saturação. Lembrando que VP → VDB quando IDSN/ VDB = 0 - Se VSB < VI e VP < VI  - Se VSB < VI e VP > VI  - Se VI < VSB < VDB 

Transistores nMOS de Enriquecimento A aproximação por canal não implantado apresenta resultados satisfatórios quando a dose implantada é pequena. - Dispositivo com alta dose de implantação(simulado); - Note que VTextr.1 < VTextr.2 VSB = 0 e VGB pequeno → VP < VI curva tracejada 1 VSB = 0 e VGB grande → VP > VI curva tracejada 2 Quando VSB > VI → continuidade!!!

Transistores nMOS de Enriquecimento 5.2.5 –Inversão Fraca Para VSB > VI , a região de depleção fica fora da região implantada e o dispositivo se comporta como um sem implantação Para VSB = 0 , a região de depleção fica dentro da região implantada; g = g1 assim, n e S ↑ (slope) Dificuldade para projetar circuitos analógicos, baseados no comporta- mento exponencial nesta região. Portanto, a implantação de ajuste de VT 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)