Functionareasi caracteristicile tranzistoarelorMOS. · Proiectarea circuitelor digitale VLSI -Procesul de fabricatie in tehnologia CMOS 4 Incapsularea In urmaprocesuluide fabricatie,

Sisteme cu circuite integrate digitale

Functionarea si caracteristicile tranzistoarelor MOS.

Prof. dr. ing. Sorin Hintea

Departamentul Bazele Electronicii

Cuprins

Sisteme cu circuite integrate digitale – Tranzistoare MOS 2

Tehnologia CMOS

Tranzistoare nMOS cu canal indus

Parametri si caracteristici electrice

Tranzistoare pMOS cu canal indus

Tranzistoare MOS cu canal iniţial

Calculul elementelor de circuit

Proiectarea circuitelor digitale VLSI - Procesul de fabricatie in tehnologia CMOS 3

Fabricarea substratului de siliciu

Siliciul – materia prima in industria semiconductoare

Diametrul lingoului de siliciu variaza intre 75mm si 300mm + toleranta

Lingoul trebuie slefuit la diametrul dorit. Aditional se poate freza un plan de orientare de-a lungul lingoului, ca referinta in manevrare

Lingoul e feliat cu o lama de diamant, “feliile” sunt lustruite mecanic → eng. wafer

Grosimea unui wafer este de 500-1000μm, functie de proces → substratul pentrucircuite integrate


Incapsularea

In urma procesului de fabricatie, pe wafer se gasesc mai multe CI

CI sunt testate pe wafer, iar cele defectesunt marcate cu un punct de vopsea

Pe wafer se traseaza (eng. scribing) liniilede taiere, iar CI individuale sunt separate (eng. cleaving)

Circuitele integrate sunt incapsulate

Systems with Digital Integrated Circuits - The MOS transistor 5

Incapsularea – capsula de plastic

PDIP – Plastic Dual Inline Package

SOIC – Small Outline Integrated Circuit

PLC – Plastic Leaded Chip

PLCC – Plastic Leaded Chip Carrier

FBGA – Fine Ball Grid Array

SSOP – Shrink Small Outline Package

TSSOP – Thin SSOP

LQFP – Low-profile Quad Flat Package

TQFP – Thin Quad Flat Package

FBGA PDIP, SOIC

PLCC SSOP

TSSOP

LQFP


Incapsularea – capsula ceramica

CDIP – Ceramic Dual Inline Package

CCC – Ceramic leadless Chip Carrier

CLCC – Ceramic Leaded Chip Carrier

CPGA – Ceramic Pin Grid Array

CSOIC – Ceramic Small Outline IC

CQFN – Ceramic Quad Flat Package no Lead

CDIP CLCC

CLCC

CPGA

CSOIC

CCC


Wafer


Tehnologia CMOS

tehnologia CMOS foloseste perechi de tranzistoare cu canal n (nMOS) si p (pMOS)

tranzistorul nMOS este construit pe un substrat de tip p iar pentru dispozitivul pMOSeste creata o regiune n-well pentru a functiona ca substrat pentru regiunile difuzate de tip p+

Dimensiunile tranzistorului sunt date de cele ale canalului: lungimea tranzistorului(L) masoara distanta dintre drena si sursa in care este creat canalul, in timp (W) masoaralatimea canalului


Tranzistoare MOS cu canal indus - definitii

MOS = metal oxid semiconductor

canal p (pMOS) si canal n (nMOS)

Dispozitiv cu 4 terminale:

grila G

drena D

sursa S

substrat (bulk) B

n n

p-type substrate

G

oxmetaloxide

semiconductorp p

n-type substrate

ox

S D

poly poly

B

GS D

B

Structura de baza a unui tranzistor MOS este reprezentata in figura si consta dintr-un substrat de siliciu, substrat care este dopat de tip p- sau n, numit body (B), douaregiuni difuzate cu dopare complementara si care se numesc sursa (S) si respectivdrena (D), iar intre acestea se gaseste poarta - gate (G). Poarta tranzistorului consta dintr-un strat dielectric, de ex. dioxid de siliciu, crescutdeasupra substratului de siliciu si un strat conductor din polisiliciu (siliciupolicristalin) depus deasupra.


Tranzistoare MOS cu canal indus - definitii

Simboluri pentru tranzistoarele MOS:

simboluri pentru tranzistoarele cu canal n (nMOS) si cu canal p (pMOS)

simboluri cu 4 terminale: gate G drain D source S bulk (substrate) B

simboluri cu 3 terminale: gate G drain D source S (in electronica digitala terminalelesubstrat sunt legate la masa in cazul tranzistoarelor de tip nMOS, respectiv la potentialulpozitiv al alimentarii in cazul tranzistoarelor pMOS); sagetile sunt folosite pentru a reprezenta terminalul sursa

simboluri cu 3 terminale: gate G drain D source S (sagetile nu mai sunt folosite iarpentru tranzistoarele cu canal p se foloseste un cerculet in dreptul portii


The MOS transistor

Cum lucreaza tranzistorul MOS ca un comutator

G

D

S

G

D

S

Cut-offVG = GND

conductionVG = VDD

MO

S

tran

sist

or ‘0’

‘1’


Tranzistoare nMOS cu canal indus - polarizare

Tranzistor MOS

nepolarizat → jonctiunilepn nu sunt polarizate → regiuni de golire in jurulimplanturilor n+ → nu curge curent

Tensiune pozitiva mica

(VG) aplicata pe grila →

electronii sunt atrasi → se extinde regiunea de goliresub grila

Tranzistor blocat

Tensiunea pe grila

mai mare decat

tensiunea de prag (Vth

)

→ se formeaza canalul→ conditia fundamentalapentru conductie



Se defineste tensiunea de saturatie

Vod = VGS – Vth

Tensiune pozitiva mica intre implanturile n+

(VDS

< Vod

)→ miscarea electronilor din canal → curent intre cele doua terminale

Tranzistor in regim liniar

Care e terminalul de drena si sursa?

Curentul circula de la drena catre sursa

Tensiune pozitiva

mare intre

implanturile n+ (VDS

> Vod

) → tranzistorulintra in saturatie

Tranzistor in

regim saturat



Se defineste tensiunea de saturatie

Vod = VGS – Vth

Tensiune pozitiva mica intre implanturile n+

(VDS

< Vod

)→ miscarea electronilor din canal → curent intre cele doua terminale

Tranzistor in regim liniar

Care e terminalul de drena si sursa?

Curentul circula de la drena catre sursa

Tensiune pozitiva

mare intre

implanturile n+ (VDS

> Vod

) → tranzistorulintra in saturatie

Tranzistor in

regim saturat

n n

p-type substrate

oxpoly

VB=0V

VGS>VTh D

0<VDS<VOD

asymmetric channel

S

n n

p-type substrate

oxpoly

VB=0V

VGS>VTh D

VDS=VOD

pinch-off

S


Tranzistorul nMOS – regiunile de lucru

Variatia curentului de drena functie de tensiunea aplicata pe grila ID(VGS)

Modul de lucru in regiunea de blocare presupune o tensiune pozitiva VGS mai mica decat cea de prag a tranzistorului nMOS Vth.

VGS < Vth → IDS = 0 → blocare

Pentru valori ale VGS mai mari decat Vthn, un canal este creat intre drena si sursa

VGS > Vth → conductie

Polarizarea tranzistorului nMOS presupune aplicarea unei tensiuni pozitive intre grila si sursa(VGS) si a unei tensiuni pozitive intre drena si sursa (VDS) la terminalele tranzistorului

Variatia tensiunilor VDS si VGS, precum si cele 3 regiuni de operare ale tranzistorului NMOS


Tranzistorul nMOS – regiunile de lucru

2 regiuni de conductie

VGS > Vth si VDS < VGS - Vth = Vod → liniar

VDS2/2 este neglijata → dependenta lineara

VGS > Vth si VDS > VGS - Vth = Vod → in saturatie

dependenta curentului de drena de tensiunea drena-sursa,

ID(VDS) arata departajarea celor doua regiuni de conductie

De face pe parabola VDS=VOD care separa aceste regiuni

2

2DS

DSthGSnD

VVVVI

22 thGS

nD VVI

DSthGSnD VVVI


Tranzistoare nMOS cu canal indus – functionare

Regiunea deoperare

Tensiunea grilasursa

Canal prezent Tensiunea drenasursa

Modelechivalent desemnal mare

nMOS

Cutoff VGS < Vthn no n.a.

Linear VGS > Vthn yes VDS < Vod

Saturation VGS > Vthn yes VDS > Vod


Tranzistoare nMOS cu canal indus – factorul β

W,L – latimea si lungimeatranzistorului

Factorul K

μ – mobilitatea purtatorilor de sarcina

Purtatori de sarcina: nMOS → electroni, pMOS → goluri

La acelasi W/L

n+ n+

G

Coxtox DS

oxCK

ox

oxox

tC

pn pn

Factorul β → factorul de castig Capacitatea oxidului Cox

εox – permitivitatea oxidului

tox – grosimea oxidului

L

W

tL

WK

ox

ox


Rezistenţa tranzistoarelor în conducţie

În conducţie liniară tranzistorul MOS se comportă ca o rezistenţă

Rezistenta canalului:

Pentru a obţine tranzistoare cu rezistenţa mai mică şi timpi de comutaţie mai mici trebuie mărită lăţimea W.

Relatia de mai sus este utilizata pentru redimensionarea tranzistoarelor in scopulimbunatatirii timpilor de intarziere

cand avem nevoie de rezistente mai mici, trebuie crescuta marimea raportuluiW/L folosindu-se valori precum 2/1, 4/1 sau 8/1

)()(

1

I

V

DS

DS

TGSoxTGS

onVVWC

L

VVR




Calculul rezistenţelor ca elemente de circuit

Determinarea rezistenţei unui material conductor omogen:

ρ [Ω∙m] → rezistivitatea materialului

t [m] → grosimea conductorului

L [m] → lungimea conductorului

W [m] → lăţimea conductorului

RS [Ω/m]→ rezistenţa (de suprafata)pe unitatea de lungime

LRW

L

ts

onR



Rezistente de suprafata pentru materialele folosite in tehnologia CMOS

Materialul Rs [ /m]

Metal 0,03

Difuzie 10 50

Polisilicon 15 100

canal n 104

canal p 2,5104


Tranzistorul pMOS cu canal indus – mod de operare

Tranzistorul pMOS este format din doua regiuni de tip p (sursa si drena) si un substrat (body) de tip n.

In tranzistoarele pMOS purtatorii sunt golurile (purtatori pozitivi)

Mobilitatea golurilor in siliciu este mai mica decat a electronilor. Aceasta inseamna ca tranzistoarele pMOS genereaza mai putin curent decat cele nMOS la o dimensiune comparabila siprin urmare sunt mai lente.

Simbolurile µn and µp sunt utilizate pentru a diferentia cele doua tipuri de mobilitati cea a electronilor si respectiv cea a golurilor in tranzistoarele nMOS and pMOS

Raportul mobilitatilor µn / µp este 2–3;

noi vom folosi 2 pentru exemplele din acest curs

Simbolul pentru tranzistorul pMOSeste cel cu cerculet in dreptul portii

pn 2pn 2 Np RR 2


Tranzistoare pMOS cu canal indus – functionare

3 regimuri de operare

|VGS| < |Vth| → ID = 0 → blocat

|VGS| > |Vth| → |VDS| < |Vod| → liniar

|VDS|2/2 se neglijeaza → dependenta liniara

|VGS| > |Vth| → |VDS| > |Vod| → saturat

2

||||||||

2DS

DSthGSpD

VVVVI

2||||2

thGSp

D VVI


Tranzistorul pMOS – regiuni de lucru

Operation region Gate-sourcevoltage

Channelpresent

Drain-source voltage Equivalentlarge-signalmodel

pMOS

Cutoff VSG < |Vthp| no n.a.

Linear VSG> |Vthp| yes VSD < |Vod|

saturation VSG > |Vthp| yes VSD > |Vod|

Regiunile de lucru in cazul tranzistorului MOScu canal p, impreuna cu simbolurileechivalente

VGp

IDVSG

VSD

D

S


Tranzistoare MOS cu canal initial

O regiune de tip n sau p situata sub poarta este dopata in timpul procesului de fabricare a tranzistorului → canal initial

Tranzistorul este in conductie si pentru tensiune grila-sursa VGS = 0, sau usornegativa

Pentru VGS < Vth (in cazul pMOS |VGS| < |Vth|) se forteaza golirea canalului sitranzistorul este comandat in blocare

Efectul canalului initial este translatarea spre valori negative (in cazul pMOS sprevalori pozitive) a carcateristicii de transfer a tranzistorului


Tranzistoare MOS cu canal initial

Efectul canalului initial este translatarea spre valori negative (in cazul pMOS sprevalori pozitive) a carscteristicii de transfer a tranzistorului

nMOS pMOS

nMOS

canal initial

pMOS

canal initial

Documents

Functionareasi caracteristicile tranzistoarelorMOS. · Proiectarea circuitelor digitale VLSI -Procesul de fabricatie in tehnologia CMOS 4 Incapsularea In urmaprocesuluide fabricatie,