Tecnologias de Circuitos Integrados
Tecnologias de Circuitos Integrados
MOS-CMOS
MOSFET (Metal Oxide Silicon Field Effect Field)
– nMOS (N-type MOS)
– pMOS (P-type MOS)
– CMOS (Complementary - type MOS)
Manoel Eusebio de Lima
Greco-CIn-UFPE
Transistor nMOS
Transistor nMOS
Características:
– O tipo nMOS é composto por substrato de silício do tipo p,
fracamente dopada, e duas áreas (drain e source) do tipo n
fortemente dopadas.
– A difusão no silício é feita com a adoção de elementos doadores
de elétrons, como Arsênio e Fósforo.
– As cargas majoritárias nos transistores tipo nMOS são elétrons
– Este tipo de transistor conduz o sinal “0” lógico forte e o sinal “1”
lógico fraco.
Cristal de Germânio c/impurezas doadoras
Polisilí
Polisilício
Difusão
Gate
(polisilí
polisilício)
cio)
Dreno
(difusão)
difusão
Fonte
(difusão)
difusão
Elemento dopante
(5 elé
elétrons de valência
Sb – Antimônio,
Fósforo, Arsênio)
5
condutores
W = comprimento do canal
L = tamanho do canal
elé
elétron livre
Sb
Transistor nMOS
Transistor pMOS
Um transistor nMOS
Vista em corte
Vista de cima
Óxido de Silício
metal
Polisilício
metal
contato
Características:
– O tipo pMOS é composto por substrato de silício do tipo n-well,
fracamente dopada, e duas áreas (drain e source) do tipo p
fortemente dopadas.
– A difusão no silício é feita com a adoção de elementos doadores
de buracos (falta de elétrons), com o Índio, Boro.
– As cargas majoritárias nos transistores tipo pMOS são buracos.
– Este tipo de transistor conduz o sinal “1” lógico forte e o sinal “0”
lógico fraco.
Cristal de Germânio c/impurezas aceitadoras
Elemento dopante
(3 elé
elétrons de
valência InIn-Indium,
Indium,
Boro)
contato
buraco
Source
gate
drain
3
In
simbologia
1
1
Transistor pMOS
Transistor nMOS
contato
p-MOS - tipo de transistor MOS composto de um moderado
substrato de silício tipo n com duas áreas de difusão
fortemente dopadas tipo p (p+) (fonte e dreno).
difusão
difusão
Vgs
nMOS
+
-
Capacitor MOS –
modos de operação
Vgs cria o canal
• Depleç
Depleção
• Acumulaç
Acumulação
+
-
• Inversão
Transistor nMOS - Funcionamento
Transistor nMOS - Funcionamento
• Transistor polarizado sem condução de corrente
elétrica, na região de corte
Vgs = 0 V
Vth (tensão de limiar) é a tensão na qual o
dispositivo MOS começ
começa a conduzir (“
(“turn on”
on”).
Vds = 0 V
•Transistor na região linear ou resistiva
* Vtn ≅ 0.2VDD
Vds < Vgs - Vtn
- fraca camada de inversão no canal
- Ids depende de Vgs e Vds
Vds é a tensão entre o dreno e a fonte do
dispositivo.
-sem camada de inversão no canal
- Ids = 0
fonte
dreno
Ids aumenta com Vds
(similar a um resistor linear)
2
2
Transistor nMOS - Funcionamento
Transistor nMOS - Funcionamento
•Transistor na região de saturação
Vds > Vgs – Vtn, Vgd < Vth (tensão de limiar)
Ids aumenta com Vds
(similar a um resistor linear)
- forte camada de inversão no canal
- Ids independe de Vds, a corrente
satura (fonte de corrente)
corrente)
•Corrente de avalanche
•O canal é estrangulado
canal
Eletrons fluindo através
de um transistor de sílicio
http://researchweb.watson.ibm.com/resources/press/strainedsilicon/
Caracterí
Características Tensão - Corrente
(VdsVds-Ids)
Ids)
Transistor MOS - operação
Corte
– Se Vgs < Vt, então Ids = 0
tn,
Linear
– Se Vds < ( Vgs-Vt), então Ids depende dos
valores Vds e Vgs
tn
Região linear
Região de saturaç
saturação
tn
tn
Saturado
– Se Vds > (Vgs-Vt), então Ids não depende de
Vds. Ids é essencialmente constante.
tn
tn
tn
Região corte
Caracterí
Características de conduç
condução de
transistores MOS
(alta)
Transistores MOS vistos como Switches
(depleção)
>
>
3
3
Transistor nMOS
Fabricação de Circuitos VLSI
Criação
Definir
Etch (produzir o desenho do circuito desejado através de
• Passos simplificados na confecç
confecção do SiO2
máscaras)
Pastilhas de silício
Foto-resistor
SiO2
Formação de material por deposição,
difusão ou implantação
Luz UV
Máscara de vidro
Máscara (molde)
Foto-resistor
SiO2
Definição dos circuitos por litografia
8 a 10 interações
Etch
Transistor nMOS
SiO2
Camada fina de
óxido de silício
Oxidação do gate
Substrato de silício
Características elétricas da tecnologia
MOS
Poli-silício
molde do Poli-silício
Difusão ou implante
Cortes de contato
Circuitos lógicos MOS dissipam uma pequena
quantidade de potência em função das grandes
resistências existentes nos dispositivos MOSFET.
Vdd=+5V
Difusão de
impurezas
Q1 (depletion)
depletion)
Id
SiO2 por deposição
Vin
Contatos de
alumínio
Vantagens da tecnologia MOS
Simplicidade e baixo custo da fabricação dos
transistores.
Tamanho extremanente pequeno quando comparado
a tecnologias tais como TTL e ECL.
Baixo consumo elétrico.
Possuem uma melhor margem de ruído que bipolar.
Fan-out bem maior que circuitos bipolares.
Grande faixa de alimentação (3 a 15V).
Todas as vantagens acima fazem com que seja
possível acomodar em circuitos MOS uma grande
quantidade de dispositivos.
Id = Vdd Ron(Q1)+
Roff(Q2)
(Q2) ≅ 0.05nA
Ron(Q1)+Roff
Potência Pd = 0.25 nW
Q2 (enhancement)
enhancement)
GND
molde da camada
de alumínio
Vin = 0V
a) Q1 - Ron(Q1)
Ron(Q1) = 100 Kohms
b) Q2 - Roff(Q2)
Roff(Q2)
Vin = +5V
a) Q1 - Ron(Q1)
Ron(Q1) = 100 Kohms
b) Q2 - Ron(Q2)
Ron(Q2) = 1 Kohms
Id = Vdd Ron(Q1)+
Ron(Q2)
(Q2) ≅ 50 µ A
Ron(Q1)+Ron
Potência Pd = 0.25 mW
Desvantagens da tecnologia MOS
Baixa velocidade de operação quando comparada as
famílias bipolares. Este fenômeno se deve a dois
fatores:
– Alta resistência de saída no estado lógico
1(alto).
– Alta carga capacitiva normalmente
presente nas entradas dos circuitos lógicos
MOS .
4
4
Características elétricas da tecnologia
CMOS
Inversor CMOS
Vcc
Tecnologia CMOS é composta por dois tipos de
transistores, um do tipo NMOS e outro do tipo
PMOS.
CMOS é mais rápido e consome menos potência que
outros elementos da família MOS.
Inversor CMOS
Vdd
Vin
Vout
Vdd
Vout
pMOS
Vin (gate)
Vss
P-switch - pullpull-up
Vin
Layout – vista de cima
Vout
Vin
0
1
N-switch - pullpull-down
Vout
1
0
nMOS
Terra
Vss
Inversor CMOS
Operação de um inversor CMOS
Vdd
1- Vin = Vdd
Q1
Aná
Análise do circuito:
Vdd=+5V
Vdd=+5V
Ids
Roff
Ron Vout
0V
Característica estática de um inversor
CMOS
Vin
Id
Cload
Q2
Vout
Vss
Cálculo de Vout
Vdd = Ids(Roff+Ron)
Vdd = Ids.Roff+Ids.Ron
Vdd = Ids.Roff+Vout
Vout = Vdd-Ids.Roff ≅
=>
=>
=>
0V
Ron < 1 Kohms
Roff ≅ 1010Kohms
Ids é pequeno, mas Roff é bastante grande
Operação de um inversor CMOS
Vdd
2- Vin = 0V
Q1
Aná
Análise do circuito:
Vdd=+5V
Vdd=+5V
Ids
Ron
Roff Vout
• Note que Vh = 5V, VL = 0V, e que Ids = 0A.
• Isto significa que não existe praticamente dissipação de potência.
0V
Vin
Id
Q2
Vout
Vss
Cload
Cálculo de Vout
Vdd = Ids(Roff+Ron)
=>
Vdd = Ids.Roff+Ids.Ron =>
Vdd = Vout+Ids.Ron
=>
Vout = Vdd-Ids.Ron ≅ Vdd=5V
Ron < 1 Kohms
Roff ≅ 1010Kohms
Ids é muito pequeno
5
5
Característica estática de um inversor
CMOS
Operação de um inversor CMOS
Vout
P “on”
on”
N “off”
off”
P “on”
on”
N “on”
on”
Vdd
P “off”
off”
N “on”
on”
Idsn = - Idsp
0.5 Vdd
• Note que Vh = 5V, VL = 0V, e que Ids = 0A.
• Isto significa que não existe praticamente dissipação de potência.
0
Vth
0.5Vdd Vdd+
Vdd+Vtp
Vin
Características elétricas da tecnologia
CMOS
A dissipação de potência em circuitos CMOS embora seja muito
pequena nas condições dc, aumentam com a freqüência de
operação do circuito.
Em altas freqüências os picos de corrente no chaveamento dos
transistores tendem a ocorrer com mais freqüência e a corrente
média fornecida por Vdd aumenta.
Vdd
Id (reversa)
Id
Cload
Q1
Lógica CMOS
Vin
Vout
Q2
Id
Vin
Vout
Vss
Podemos constatar que em alta freqü
freqüências CMOS
começ
começa a perder vantagens sobre as outras famí
famílias ló
lógicas
NAND CMOS
Lógica Combinacional
Porta
saí
saída
NAND
A
0
0
1
1
1
1
1
0
B
Vcc (‘1’)
Porta NAND de
n-entradas
Vcc
(A+B)
P
Vcc
P
B
A
saída
C
Saída
Dual Ló
Lógico
n
Saída
A
N
B
A
(A B)
A
N
B
GND (‘0’)
C
B
GND
n
GND
6
6
NOR CMOS
Lógica Combinacional
saí
saída
Porta
NOR
0
A
0
1
1
0
0
0
B
1
Vcc (‘1’)
Vcc
Vcc
P
(A B)
n
A
A
P
B
B
Dual Ló
Lógico
saída
N
N
A
saída
B
GND
(A+B)
A
Saída
C
B
n
C
GND
GND (‘0’)
Transmission Gate
Transmission gate
Análise do transistor tipo N como “pass transistor”
Análise do transistor tipo P como “pass transistor”
Análise do transmission Gate “CMOS”
CanalCanal-N
Vout
Vin
CanalCanal-P
Transistor tipo N como “pass transistor”
transistor”
Transistor tipo P como “pass transistor”
transistor”
Vgs
Vin
Vout
Canal-N
Vin
CI
Condição Inicial Vout=0V (capacitor descarregado)
φ = ´0´ , Vgs=0V,
assim Ids = 0 mA independente do valor de Vin
Quando φ= ´1´ , Vin = ´1 ´ e Vgs= Vdd o transistor começa a conduzir
e a carregar o capacitor até Vout ~ Vdd. Como Vin > Vout, Ids flui da
esquerda para a direita. Vout tende a (Vdd - Vth) e o transistor para a
região de corte(turn off), com Vgs < Vth.
O capacitor Cl permanecerá carregado quando φ = ´0´, portanto Vout
= Vdd-Vth.
Conclusão:
A transmissão do nível logico ´1´ é degenerado quando ele passa
através de um transistor tipo n-MOS, ou seja Vout ≠ Vdd(Vin).
No entanto, quando Vin=´0´ , Vgs=Vdd e Vout=´1´ o capacitor descarrega
através do transistor até Vout = 0V, desde que a relação Vgs>Vth será
sempre verdade.
Ou seja, Transistor tipo n-Mos é apropriado para transmitir nível lógico
‘0’.
Canal-P
Vgs
Vout
CI
Condição Inicial Vout=0(capacitor descarregado) φ = ´1´ ,
Vgs=Vdd, assim Ids = 0 mA independente do valor de Vin.
Quando φ= ´0´ , Vin = ´1´ o transistor começa a conduzir e a
carregar o capacitor até Vout =Vdd. Como Vin > Vout, Ids flui da
esquerda para a direita. Vout vai para Vdd, sem degradação do
sinal. O capacitor Cl permanecerá carregado quando φ = ´1´.
Conclusão:
A transmissão do nível logico ´1´ não é degenerado quando ele passa
através de um transistor tipo p-MOS, ou seja Vout = Vdd(Vin).
No entanto, quando Vin=´0´ e Vout=´1´ o capacitor descarrega através
do transistor até Vout = |Vtp|, ponto no qual o transistor para de conduzir.
Ou seja, um transistor tipo p-MOS degrada o nível lógico ´0´.
7
7
Aplicação com Flip-Flops
Multiplixador analógio CMOS (8 canais)
Chaves CMOS/Transmission gates
Flip-Flop
tipo D
IN
Q
Q
LD
LD
LD = ‘1’ - carrega IN em Q
LD = ‘0’ - manté
mantém Q
8
8