Dispositivos de las tecnologías CMOS

Transcripción

1 Dispositivos de las tecnologías CMOS MOSFET: canal N y canal P (únicos dispositivos en chips digitales) JT: PNP de mala calidad (dispositivos parásitos. Se usan como diodos) Resistencias Condensadores Autoinducciones - Algunos dispositivos pasivos implican pasos adicionales de fabricación. - Las tecnologías icmos incluyen además JTs NPN y PNP de buena calidad

2 z Transistor JT vertical y x x C E C E P + N + P + N P Ic PNP JT El colector siempre es el sustrato N P Aplicaciones: Referencias de tensión and ap Muy poca ganancia (β =5) F

3 Transistor JT Lateral z E y x SU x C SU C E SU C E P P + N + P + P + N Ic Isub N P PNP Terminales y conectados juntos para evitar conducción por MOSFET parásito Hay un PNP vertical parásito que también conduce

4 (5 cuadros) W RESISTENCIAS (Lámina conductora: 2 dimensiones) Nº de cuadros = L / W R = ρ x Nº de cuadros L Parámetros: L W N. of ends (número de pliegues) 0.6c (13.2 cuadros) (1uadros) 0.6c

5 S A RNWELL 1000 Ω / P P + N + N + N A S S A RDIFFP 140 Ω / P N + N P + A S A RPOLY 8 Ω / 50 Ω / P Oxido grueso A

6 Resistencias - Las resistencias construidas en el silicio (RNWELL, RDIFFP) se pueden considerar como transistores J-FET con una tensión de pinch-off muy grande. - Esto se traduce en unas dependencias de la resistencia con el voltaje y la temperatura malas. ρ (Ω/ ) Coef. V (ppm/v) Coef. T (ppm/k) Tolerancia RNWELL % RDIFFP % RPOLY % RPOLY HR % METAL %

7 CONDENSADORES MOS cap. UNION MOS varactor C LF Cox P Acumulación HF ~1/3 Cox Inversión 0 V Condensador de ACUMULACION (varactor) Condensador de INVERSION (transistor) N + N + N + P + P + P N P N

8 Condensadores MOS de acumulación No se necesitan pasos adicionales en su fabricación. (CMOS éstandar) Alta densidad de capacidad (ff/µm 2 ). Mayor que otros tipos de condensador Tiene polaridad. Requiere un nivel de DC. Varactor. C(V). Coeficiente de voltaje malo. Coeficiente de temperatura malo. Aplicaciones: Varactor, Desacoplo de alimentación...

9 Condensador de Doble Polisilicio Condensador MIM Z X Oxido grueso Poly 2 Poly 1 Metal N Siliciuro Y Condensador interdigitado X

10 Condensadores de doble poly / MIM Necesitan pasos de fabricación adicionales No tienen polaridad Asimétricos. La capacidad parásita al sustrato es mucho mayor en la placa inferior Precisos Condensadores interdigitados No necesitan pasos de fabricación adicionales Simétricos Densidad de capacidad aceptable en tecnologías CMOS finas Poco precisos. Tolerancia: 40 %

11 AUTO INDUCCIONES Capas de metal grueso (menor resistencia serie) Sustrato de alta resistividad (poco dopado) Rango: decenas de nh (f > 1Hz) Qmax ~ 10 Modelado: ASITIC A A A C1 L SU Rs C2

12 TRANSISTOR MOSFET D I D V DS I D LINEAR TRIODO OHMICA V S SATURACION S I Dsat SATURACION V S CORTE CORTE V DS V T V S

13 TRANSISTOR MOSFET en SATURACION (V DS > V OV ) I D = K P 2 W L (V S V T ) 2 ; Definimos: V OV = (V S V T ) I D = K P 2 W L V 2 OV K P depende de la tecnología y del tipo del transistor (canal N o P). K P = µ 0 C OX unidades : A/V 2 µ 0 : Mobilidad de los portadores en el canal (m 2 /(V s)). La mobilidad de los electrones suele triplicar a la de los huecos. C OX = ε 0ε SiO2 t ox : Capacidad del óxido de puerta por unidad de área (F/m 2 ) W y L son el ancho y largo del canal del MOSFET

14 TRANSISTOR MOSFET en SATURACION La corriente depende ligeramente de V DS : I D = K P 2 W L (V S V T ) 2 (1 + λv DS ) I D 1/r = ds I D0 λ I D0 V S 1/λ V DS λ depende de la longitud del canal: λ 1 L L 0

15 Modelo simple de PEQUEÑA SEÑAL del MOSFET g m = I D V S 1 r ds = I D V DS D v g v r ds gs m gs S, g m = K P W L V OV = 2I D K P W L = 2I D V OV r ds = 1 λi D

16 TRANSISTOR MOSFET en región TRIODO / LINEAL / OHMICA (V DS < V OV ) I D = K P W L [ (V S V T ) V DS 1 ] 2 V DS 2 Para V DS 0, tenemos: I D K P W L V OV V DS = V DS r ON r ON = 1 K P W L V OV

17 Efecto de la tensión del sustrato (V V S ) V V V D S V - El sustrato se comporta como la puerta de un JFET parásito - Aumenta la tensión umbral efectiva: V T = V T H0 + γ ( φ V S ) φ (φ 0,6V ) - Transconductancia adicional (resta ganancia): g mb = γ 2 φ V S g m

18 Modelo de pequeña señal incluyendo el efecto del sustrato D vgs g v m gs g mbv bs r ds S v bs

19 MOSFET en alta frecuencia: Capacidades parásitas SATURACION S C S C D C D C S C D Si la fuente y el sustrato están unidos: C Stot = C S + C, C DS = C D C S 2 3 W L C OX C D = C over W

20 MOSFET en alta frecuencia: Modelo de pequeña señal Cgd D Cgs g m v gs r ds Cds S ω T g m C gs = 3 2 µ 0 V OV L 2 ( 14 Hz, canal N, V OV = 200 mv, L = 0,35 µm)

21 MOSFET en alta frecuencia: Capacidades parásitas TRIODO (Interruptores, Condensadores MOS de inversión) S C S D Modelo normal 1/2 W L Cox D r ON Modelo no cuasi estático D W L Cox 1/2r ON C S C D 1/2 W L Cox S 1/2r ON S C S = W L C OX

22 MOSFET en débil inversión / conducción subumbral 1000 Id (ua) α exp(vov) Débil inversión Kp W L Vov 2 2 Fuerte inversión 0.01 Conducción subumbral Vov (V) I D,wi = W L I t exp ( VOV nkt/q ) { n : slope factor ( 1,5) I t : corriente para V OV = 0

23 RUIDO v v n1 n2 v n Señales NO correlacionadas: Se suman las POTENCIAS: v 2 n = v 2 n1 + v2 n2 - Densidad espectral (unidades: V/ Hz o A/ Hz ) - Ruido total en una banda de frecuencias (de f 0 a f 1 ): V 2 N,tot = f1 f 0 v n (f) 2 df - Si v n (f) = cte (ruido blanco) queda: V 2 N,tot = v2 n ( = f 1 f 0 = ancho de banda)

24 Ruido. Tipos. Fuentes físicas * Ruido blanco: densidad espectral constante Ruido térmico. Resistencias. Se debe al movimiento aleatorio de los electrones. v 2 n = 4KT R Ruido shot. arreras de potencial (diodos, JT...). Se debe al valor discreto de la carga del electrón. (el electrón pasa o no pasa la barrera). i 2 n = 2qI (q : carga del electron) * Ruido flicker : densidad espectral 1/f. Ruido rosa Origen poco claro, aunque se cree que se debe a la captura y emisión de portadores desde impurezas, estados superficiales, etc.

25 MOSFET: Fuentes de ruido D 2 log(i d ) 2 (g v ) m nf v nf i n flicker i 2 n térmico S, f corner log(f) Ruido térmico en el canal: i 2 n = 4KT γ g m (0,66 < γ < 1) Ruido Flicker. Dominante para frecuencias bajas (f < f corner ): v nf (f) 2 = K f C 2 ox W L f

26 MOSFET. Otras fuentes de ruido (importantes para LNAs) D v ng R v nb R S, - Las resistencias generan un voltaje de ruido v 2 n = 4KT R - El polisilicio de la puerta puede tener una resistencia apreciable, R, que da lugar a un ruido: v 2 n,poly = 4KT ρ poly W/L 12 n 2 n: número de puertas del transistor (con un contacto a cada lado). - Sustrato poco dopado =>R grande. El ruido térmico del sustrato da lugar a una corriente: i 2 nb = 4KT R g 2 mb