TEMA 2. Dispositivos y modelos MOS.
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- Miguel Cabrera Plaza
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1 Ingeniería Técnica de Telecomunicación SS. EE. Curso 3º Microelectrónica I 20110/11 Resumen TEMA 2. Dispositivos y modelos MOS. 2.1 MOSFETs para VLSI: diseño físico-geométrico. Estructura del transistor MOS Longitud efectiva del transistor Lefectiva=Ldibujada-2 * LD = Ldibujada - DL LD : difusión lateral (Spice level 2) DL=2 * LD (modelo BSIM) (Orbit CN20) DW = µm DL = 0.64 µm Resumen_Tema 2_10_11 Microelectrónica I I.T.T. SS. 1
2 Anchura efectiva del transistor El polisilicio colocado sobre el área activa n+ es utilizado para construir los transistores NMOS. El diseñador fija la anchura (W) y la longitud (L) de estos transistores. La anchura efectiva del transistor es: Wefectiva = Wdibujada - DW DW es un parámetro asociado a la tecnología propio del modelo BSIM. Resumen_Tema 2_10_11 Microelectrónica I I.T.T. SS. 2
3 Características Parásitas asociadas a las zonas activas Resistencia zona n+: 27.9 ohm/sq Resistencia zona p+: 70 ohm/sq Superficies de deplexión asociadas a las zonas activas de un MOS. Capacidad capa n+: C jb = F/m 2 C jsw = F/m Potencial capa n+: pb= 0.8 voltios pbsw= 0.8 voltios Coeficiente de gradiente ó Gradualidad: mj=0.66 mjsw=0.18 C jdep = C A jb D 1+ V d pb m j + C jsw P D V 1+ d pbsw m jsw Resumen_Tema 2_10_11 Microelectrónica I I.T.T. SS. 3
4 Ejercicio Identificar los materiales y calcular el área y perímetro de fuente y drenador del layout de un transistor MOS. W=3 µm L=2 µm lado Drain=6µm lado Source=6 µm a=2 µm Ejercicio Calcular la capacidad de deplexión entre drenador y substrato en un transistor NMOS. Las dimensiones del drenador son 10 µm x 10 µm. Resumen_Tema 2_10_11 Microelectrónica I I.T.T. SS. 4
5 Comportamiento del MOS Caso 1: En acumulación. Caso 2: En deplexión. Resumen_Tema 2_10_11 Microelectrónica I I.T.T. SS. 5
6 Comportamiento del MOS Caso 1: En acumulación. Drenador y fuente a tierra. V GS <0. Los huecos son atraídos a la región inferior al óxido de puerta. Capacidad puerta sustrato: C gb =ε ox ((L-2*LD)*W)/TOX ε ox =3.97 *8.85 af/µm =3.97 * F/cm L eff =(L-2*LD) Capacidad puerta drenador ó fuente (capacidad de solapamiento puerta y drenador ó fuente): C gd,s =ε ox (LD*W)/TOX Estas capacidades se modelan en Spice mediante los parámetros: CGDO y CGSO (en unidades de faradios/metro) C gd =CGDO*W C gs =CGSO*W Capacidad total puerta_tierra=cap. puerta_sustrato + Cap. puerta_drenador + Cap. puerta_fuente =ε ox ((L-2*LD)*W)/TOX+ ε ox (LD*W)/TOX+ ε ox (LD*W)/TOX=( ε ox /TOX)*W*( L-2*LD+LD+LD)= ( ε ox /TOX)*W*L Para evaluar la capacidad total se utiliza el parámetro tecnológico capacitancia de óxido: C ox =ε ox /TOX (faradios/metro 2 ) En tecnología CN20, C ox es aproximadamente 800 af/µm 2. En tecnología de 1µm, C ox es aproximadamente 1.75 ff/µm 2. En tecnología de 50 nm, C ox es aproximadamente 62.5 af/µm 2. La capacitancia total puerta tierra es: C ox =C ox *W*L Resumen_Tema 2_10_11 Microelectrónica I I.T.T. SS. 6
7 Existe además una resistencia en serie con la capacidad puerta sustrato. La resistencia de las zonas activas de fuente y drenador (altamente dopadas) tiende a ser despreciable. Caso 2: En deplexión. Drenador y fuente a tierra. La tensión de puerta no es lo suficientemente negativa para atraer un número elevado de huecos en la zona de puerta. Ni lo suficientemente positiva para atraer un número elevado de electrones. En estas condiciones la superficie inferior a la puerta se dice que está en deplexión. Como la tensión puerta-sustrato ha aumentado desde un valor negativo, los huecos son apartados de la zona inferior a la puerta, dejando iones aceptores inmóviles que contribuyen a la aparición de una carga negativa. Cuando se incrementa la tensión de puerta existe una capacitancia entre la puerta y el canal inducido bajo el óxido. Aparece también una capacidad de deplexión entre el canal inducido y el sustrato. Como capacidad puerta sustrato se consideran ambas capacidades colocadas en serie (no en paralelo). La capacidad entre puerta y fuente o drenador es simplemente la capacidad de solapamiento. Se dice que el MOS está operando en la región subumbral, porque la región bajo el óxido no está fuertemente dopada. Resumen_Tema 2_10_11 Microelectrónica I I.T.T. SS. 7
8 Caso 3: Fuerte inversión Drenador y fuente a tierra. V GS > V thn. Un gran número de electrones son atraídos bajo la región de puerta. Se dice que esta región está invertida (no es de tipo p). Capacidades del MOS Nombre Off Triodo Saturación C gd CGDO*W ½*W*L*C ox CGDO*W C db C jdep C jdep C jdep C gb W*L eff *C ox +CGBO*L CGBO*L CGBO*L C gs CGSO*W ½*W*L*C ox 2/3*W*L*C ox C sb C jdep C jdep C jdep CGBO: Capacidad de solapamiento puerta sustrato sobre la región de óxido de campo (FOX). Resumen_Tema 2_10_11 Microelectrónica I I.T.T. SS. 8
9 Carga del canal de conducción La puerta se comporta como una capacidad en la que la carga almacenada es directamente proporcional a las dimensiones de la puerta. Existen otros parámetros físicos que determinan el comportamiento del transistor MOS: Movilidad de los portadores. Conductividad. Permitividad. Espesor del óxido de puerta. Dimensiones. Movilidad: Razón entre velocidad de los portadores (υ) y campo eléctrico (E), creado al existir una diferencia de potencial (V) entre fuente y drenador. µ=υ/e E=V/L µ n >µ p En el silicio intrínsico a temperatura ambiente: µ n =1360 µ p =480 La reducción de la longitud del canal del transistor supone el aumento del campo eléctrico creado por V DS, y por tanto también el aumento de la velocidad de arrastre de los portadores υ. Esta velocidad de arrastre llega a alcanzar un valor de saturación, υ s, que en el caso del silicio a temperatura ambiente es 10 7 cm/seg aproximadamente. El tiempo de tránsito de los portadores en el canal es: t=l/υ. Esto supone que en la región donde la relación E-υ es lineal, t=l/µe=l 2 /µv DS. Reducciones en la longitud del canal disminuyen los tiempos de operación del dispositivo. Cuando las partículas alcanzan la velocidad de saturación el tiempo de tránsito se mantiene constante. Conductividad: σ=q*(µ n n+µ p p) La conductividad mejora aumentando la concentración de impurezas, n y p. Resumen_Tema 2_10_11 Microelectrónica I I.T.T. SS. 9
10 Permitividad: Medida de la energía eléctrica que es capaz de almacenar el material. ε ox =3.9* ε o Espesor del óxido de puerta (TOX). Menor de 10nm en los procesos modernos. C ox= ε ox /TOX Capacidad por unidad de superficie. El análisis de todos estos parámetros permite aproximar, para valores de V DS pequeños, la intensidad que circula entre fuente y drenador mediante la siguiente expresión: I aprox = µ n *C ox*(w/l)*(v G -Vthn)*V DS En esta expresión, en la que V G es la tensión de puerta, la intensidad depende linealmente de V DS. Se puede considerar 1/Rn como el factor de dependencia, I=V/Rn. 1/Rn=µ n *C ox*(w/l)*(v G -Vthn) ó 1/Rn= β n *(V G -Vthn) con β n = µ n *C ox*(w/l) El parámetro β n se denomina transconductancia del dispositivo. Factor de ganancia ó transconductancia del dispositivo: Producto de la transconductancia del proceso por el factor de forma. Transconductancia del proceso, ó transconductancia intrínseca (k n): El producto de la movilidad de los portadores por la capacidad de puerta (medida por unidades de área). Factor de forma: Razón existente entre la anchura y la longitud del canal del transistor. En los dispositivos de canal corto la movilidad de los portadores decrece, cuando la velocidad de los portadores comienza a saturarse. Regiones de operación de un transistor MOS: Zona lineal. Zona de saturación. Resumen_Tema 2_10_11 Microelectrónica I I.T.T. SS. 10
11 Características IV del transistor MOS Tensión umbral de un transistor NMOS Curva I DN /V GS I Dn representa la corriente que circula por el transistor MOS cuando la tensión de puerta supera el valor de la tensión umbral, V GSn >V Thn y V DSn =V DD. I Dn =(β n /2)*(V GSn -V Thn ) 2 con β n = µ n *C ox *(W/L) Tensión de saturación de un transistor NMOS Para V GSn >V Thn y reducidos valores de V DS, se puede definir la intensidad de drenador como: 2 [ ( ) V DSn V DSn ] I Dn = β n 2 2 V GSn V Thn Analizando la variación de la intensidad de drenador en función de la diferencia de potencial drenador-fuente, se observa que existe un valor de ésta, a partir del cual su incremento no implica el aumento de la intensidad. Esta tensión se denomina tensión de saturación. di Dn = β n dv Dn 2 2 V V GSn Thn [ ( ) 2 V DSn ] = 0 V DSn sat = V GSn V Thn Resumen_Tema 2_10_11 Microelectrónica I I.T.T. SS. 11
12 Este valor se puede conocer teóricamente derivando la función intensidad, I Dn. Cuando la derivada se anula, el valor de la tensión V DS se corresponde con la tensión de saturación, V Dn sat. V sat =V Dn sat.=v DSn_pico =V GSn -V Thn Un análisis más preciso, muestra que la corriente de saturación crece ligeramente cuando aumenta la diferencia de potencial entre drenador y fuente, respondiendo la intensidad a la siguiente expresión: I Dn =(β n /2)*(V GSn -V Thn ) 2 * [1+λ*(V DSn -V sat )] Siendo λ un parámetro empírico denominado modulación de la longitud del canal. Este parámetro viene dado por la siguiente expresión: λ = 1 Lelec. d X dl dv DS, con L elec =L drawn -X dl y siendo X dl la extensión de la capa de deplexión que se forma entre el drenador y el surtidor, en el canal bajo la zona de puerta, con el transistor saturado. El valor de este parámetro oscila entre 0.1 (canal corto) y 0.01 (canal largo). Se utiliza habitualmente en el análisis de circuitos analógicos. Este parámetro se desprecia cuando se realiza una estimación manual del comportamiento de un circuito digital. Resumen_Tema 2_10_11 Microelectrónica I I.T.T. SS. 12
13 Familia de curvas que representan la intensidad de drenador de un transistor NMOS Si V DS <V sat el transistor no está saturado y la intensidad que circula por él, está definida por la expresión señalada antes. 2 [ ( ) V DSn V DSn ] I Dn = β n 2 2 V GSn V Thn [ ] = 0,74mA I Dn = ,3 0,5 0,52 2 C jdep = C A jb D 1+ V d pb m j + C jsw P D V 1+ d pbsw C jdep = F /m m F /m m 0.18 V 1+ d V 1+ d 0.8V 0.8V Si V DS >V sat el transistor está saturado y la intensidad que circula por él está definida por la expresión: I Dn = β n 2 V 2 sat La curva, I Dn =(β n /2)*(V GSn -V Thn ) 2 marca el limite entre la región de operación saturada y la no saturada. Estas características I-V no lineales dificultan el análisis de los circuitos que utilizan estos dispositivos. m jsw [ ] Las ecuaciones que describen su comportamiento son también no lineales y su resolución mediante cálculo manual se hace complicada y tediosa. La solución es el uso de herramientas CAD, por ejemplo SPICE, para el análisis de estos circuitos. Ejercicio Calcular la corriente de drenador de un transistor MOS al que se aplica una tensión de puerta de 2 voltios y una tensión drenador-fuente, V DS, de 2 voltios. Considerar β=1.435ma/v 2 y V Thn =0.7 voltios. Resumen_Tema 2_10_11 Microelectrónica I I.T.T. SS. 13
14 Resumen_Tema 2_10_11 Microelectrónica I I.T.T. SS. 14
15 Ejercicio Indicar el área, perímetro y número de cuadros, tanto del drenador como de la fuente en el transistor de la figura. Ejercicio L=1 W=10 Indicar el área y perímetro, tanto del drenador como de la fuente en el transistor de la figura. Resumen_Tema 2_10_11 Microelectrónica I I.T.T. SS. 15
16 Ejercicio El layout de la figura corresponde a un transistor que opera en zona lineal. Calcular las siguientes capacidades parásitas asociadas a este transistor: Cgs, Cgd, Cdb, Csb. Calcular también su resistencia equivalente. W=6µm L=0.5µm LD=0.05µm Vg=5V Vtn=0.6V k n=150µa/v 2 C ox=2.70ff/µm 2 Cj=0.86 ff/µm 2 Cjsw=0.24fF/µm Ejercicio Calcular las resistencias parásitas de puerta y drenador del transistor anterior si Rn+=30ohm/sq y Rpoly=26ohm/Sq Resumen_Tema 2_10_11 Microelectrónica I I.T.T. SS. 16
17 Ejercicio Un transistor nmos tiene las siguientes características: W=20µm L=0.5µm k n=120µa/v 2 y Vth=0.65 voltios. Si opera con las siguientes tensiones Vgs=Vds=Vdd=5voltios, indicar: Si está o no está saturado: Calcular la resistencia asociada en función de la intensidad y la tensión con la que opera. Calcular también la resistencia utilizando el modelo estimativo generalizado. Resumen_Tema 2_10_11 Microelectrónica I I.T.T. SS. 17
18 Ejercicio El layout de la figura corresponde a un transistor NMOS. Indicar su anchura y su longitud. Resumen_Tema 2_10_11 Microelectrónica I I.T.T. SS. 18
19 Ejercicio El layout de la figura corresponde a un transistor NMOS. Indicar su anchura y su longitud. Plano base del layout de una celda estándar Resumen_Tema 2_10_11 Microelectrónica I I.T.T. SS. 19
20 Ejercicio Esquematizar la sección vertical del siguiente layout en las posiciones señaladas. Layout del plano de celdas estándar. Resumen_Tema 2_10_11 Microelectrónica I I.T.T. SS. 20
21 Ejercicio El layout corresponde a un diodo de 10µm x 10µm. El cátodo está construido mediante pozo n. Dibujar el corte vertical del circuito. Resumen_Tema 2_10_11 Microelectrónica I I.T.T. SS. 21
22 Ejercicio Realizar el Layout de un transistor NMOS con unas dimensiones de 192/2. Utilizar el plano (frame) de celdas standard. La anchura máxima para la difusión n+ es de 32 micras. Ejercicio Esquematizar la sección vertical del siguiente layout en las posiciones señaladas. Resumen_Tema 2_10_11 Microelectrónica I I.T.T. SS. 22
23 Εjercicio Calcular la transconductancia del proceso para un transistor nmos de las siguientes características: t ox =9 nm µ n =550 cm 2 /V-s ε ox =3,45E-13 F/cm Εjercicio Calcular la transconductancia del proceso y del dispositivo para un transistor nmos de las siguientes características: t ox =10 nm µ n =550 cm 2 /V-s ε ox =3,45E-13 F/cm W/L=4 Calcular la corriente de drenador de este transistor nmos si V GSn = 2V V DSn = 2V Vth= 0.7V Resumen_Tema 2_10_11 Microelectrónica I I.T.T. SS. 23
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