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

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

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.

3 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”.

4 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:

5 Transistores nMOS de Depleção 5.3.2 – 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.

6 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

7 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.

8 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

9 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.

10 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

11 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.

12 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:

13 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!

14 - 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. 5.3.16 Transistores nMOS de Depleção

15 - 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. 5.3.16 A carga total (acumulação + região não depletada) é: Q’ na + Q’ nn Eq. 5.3.22

16 Transistores nMOS de Depleção 5.3.3 – 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

17 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).

18 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:

19 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.

20 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. 5.3.22 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

21 Tabela 5.1 Transistores nMOS de Depleção

22  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!

23 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

24 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.

25 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.