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Introdução à Microeletrônica Aula 05 Transistores MOS e Inversor CMOS: Análise DC e Regimes de Operação Hugo Leonardo D. de S. Cavalcante – DSC – CI – UFPB Conteúdo ● nMOS – Estrutura – Definições – Modelo: relação tensão-corrente e modelos SPICE (BSIM) ● pMOS – Estrutura – Definições – Modelo: relação tensão-corrente e modelos SPICE (BSIM) ● Inversor CMOS – Estrutura – Modelo (corrente e equilíbrio DC) – Balanceamento Estrutura do nMOS Figura: Gary Tuttle, Iowa State University Definições Os portadores majoritários (elétrons no nMOS e buracos no pMOS) fluem do source (fonte) para o drain (dreno). No nMOS v s = v b Equações para o nMOS I dsn={ 0, se v gs<V tn (Corte) βn [(vgs−V tn)vds−vds 2 /2 ] , se v gs>V tn e vds<v gs−V tn (Linear) βn(v gs−V tn) 2/2, se v gs>V tn e vds≥v gs−V tn (Saturação) βn=μn ϵox W L tox Figura: https://www.allaboutcircuits.com/ MOSFET Channel-Lenght Modulation, Robert Keim, 2016. https://www.allaboutcircuits.com/ https://www.allaboutcircuits.com/ Estrutura do pMOS Figura: Gary Tuttle, Iowa State University O substrato n- geralmente é um poço n, formado sobre um substrato p-. Definições Os portadores majoritários (elétrons no nMOS e buracos no pMOS) fluem do source (fonte) para o drain (dreno). No pMOS, geralmente fazemos v s = v b = V dd V Tp < 0 Equações para o pMOS Note que V tp , v gs e v ds são todos negativos. Usualmente V body = V s = V dd . I sdp={ 0 , se vgs>V tp (Corte) βp [(v gs−V tp)vds−vds 2 /2 ] , se vgs<V tp e vds>v gs−V tp (Linear) β p(vgs−V tp) 2/2 , se vgs<V tp e vds≤v gs−V tp (Saturação) βp=μ p ϵox W Lt ox Simulando no SPICE Análise DC de um transistor nMOS * Esboço do diagrama esquemático do circuito * * 1 (dreno) * | * _| * 2 ---| |_ 4 (body "corpo") * | * | * 3 (source "fonte") = 0 (GND) * **** Descrição do circuito (netlist) * uma fonte de tensão em cada terminal Vds 1 3 1.8V Vgs 2 3 1.8V Vss 3 4 0.0V Vbs 4 0 0.0V * um transistor nMOS * sintaxe: * Mnome_do_comp nó_D nó_G nó_S nó_B +nome_do_modelo parâmetros * segue a especificação do modelo com: * .model nome_do_modelo tipo mais_parâmetros *MnMOS 1 2 3 4 tn L=1U W=2U AS=4P AD=4P +PS=8U PD=8U * L (w) é o comprimento (largura) do gate, * AS é a área do source, AD área do dreno, * PS (PD) perímetro do source (dreno) *MnMOS 1 2 3 4 tn L=130nm W=260nm AS=67.6fm AD=67.6fm PS=1.04um PD = 1.04um *.model tn nmos level=1 MnMOS 1 2 3 4 tn L=130nm W=260nm .model tn nmos level=54 **** Bloco de análise *.dc Vds 0.0 1.8 0.001 .dc Vgs 0.0 1.8 0.001 *** Usar com: *set plottype = point *set pointsize = 0.3 *.dc Vds 0.0 1.8 0.001 Vgs 0.0 1.8 0.45 **** * poderia haver um bloco de controle, com .control ... +.endc **** .end Simulando no SPICE VGS (V) -I D S ( A ) Ids x VGS no nMOS Simulando no SPICE Análise DC de um transistor pMOS * Esboço do diagrama esquemático do circuito * * 1 (dreno) * | * _| * 2 --o| |_ 4 (body "corpo". Conectar com Vdd) * | * | * 3 (source "fonte") = Vdd * **** Descrição do circuito (netlist) * uma fonte de tensão em cada terminal Vds 1 3 0.0V Vgs 2 3 -1.8V Vss 3 4 0.0V Vbs 4 0 1.8V * um transistor pMOS * sintaxe: * Mnome_do_comp nó_D nó_G nó_S nó_B +nome_do_modelo parâmetros * segue a especificação do modelo com: * .model nome_do_modelo tipo mais_parâmetros *MpMOS 1 2 3 4 tp L=1U W=2U AS=4P AD=4P +PS=8U PD=8U * L (w) é o comprimento (largura) do gate, * AS é a área do source, AD área do dreno, * PS (PD) perímetro do source (dreno) *MpMOS 1 2 3 4 tp L=130nm W=260nm AS=67.6fm AD=67.6fm PS=1.04um PD = 1.04um MpMOS 1 2 3 4 tp L=130nm W=260nm .model tp pmos level=54 **** Bloco de análise *.dc Vds 0.0 -1.8 -0.001 *** Usar com: *set plottype = point *set pointsize = 0.3 .dc Vds 0.0 -1.8 -0.001 Vgs 0.0 -1.8 -0.45 **** * poderia haver um bloco de controle, com .control ... +.endc **** .end Simulando no SPICE VDS (V) VGS = -1.8 V VGS = -0.45 V I D S ( A ) Ids x VDS no pMOS Inversor CMOS Transistor nMOS Transistor pMOS Inversor CMOS Weste e Harris s d d s O sentido da corrente I dsp nesta figura é o oposto ao da corrente calculada na equação anterior I sdp . O sentido verdadeiro da corrente de buracos é ao contrário da figura: Vin Vout VddVss s d d s V gsn=V in−V SS , V gsp=V in−V DD V dsn=V out−V SS , V dsp=V out−V DD I sdp> 0 ⇒ I dsp< 0 Equações para o inversor CMOS Curvas para I dsn e I sdp versus V out , para diferentes valores de V in . Vin Vin Vss = 0, Vdd = 1,8 V, Vtn = 0,70 V, Vtp = - 0,71 V, βn = βp = 350 mA/V2. I out= I sdp− I dsn Equações para o inversor CMOS Curvas para I out versus V out , para diferentes valores de V in . Vin Vss = 0, Vdd = 1,8 V, Vtn = 0,70 V, Vtp = - 0,71 V, βn = βp = 350 mA/V2. Vin Vout = “1”, Vin = “0” Vout = “1”, Vin = “1” Vout = “0”, Vin = “1” Vout = “0”, Vin = “0” I out= I sdp− I dsn Equações para o inversor CMOS No estado de equilíbrio (DC), com resistência infinita na saída, a corrente de saída deve ser nula, então I sdp = I dsn . Podemos procurar por pontos de interseção entre as curvas destas correntes em função das tensões de entrada e de saída. I out= I sdp− I dsn Regimes para o inversor Vout VddVss s d d s com Vss = 0 Regimes para o inversor Vout VinVtn VddVtp+Vdd corte corte linear saturação saturação linear A B C D E Regimes para o inversor Vout VinVtn VddVtp+Vdd corte corte linear saturação saturação linear A B C D E I sdp = I dsn β=μ ϵox W L t ox Introdução à Microeletrônica Aula 05 Transistores MOS e Inversor CMOS: Análise DC e Regimes de Operação Hugo Leonardo D. de S. Cavalcante – DSC – CI – UFPB Na aula passada começamos a fazer simulações de circuitos usando SPICE. Na aula de hoje veremos os modelos matemáticos para a relação tensão corrente e como estes modelos são usados na simulação de circuitos contendo MOSFETs. As equações que usaremos aqui correspondem ao nível 1 de uma família de modelos chamada BSIM (Berkley Short-channel Isolated-gate FET Model (grupo da Univ. da Califórnia em Berkley), modelo de Shichman-Hodges, com λ = 0, (sem modulação do canal)). O objetivo de estudar estes modelos é compreender alguns dos fenômenos e características dos transistores com um pouco mais detalhe, e justificar características que usaremos em um modelo simplificado chave controlada por tensão, como a existência de uma tensão limiar de ativação do gate Vt. Conteúdo ● nMOS – Estrutura – Definições – Modelo: relação tensão-corrente e modelos SPICE (BSIM) ● pMOS – Estrutura – Definições – Modelo: relação tensão-corrente e modelos SPICE (BSIM) ● Inversor CMOS – Estrutura – Modelo (corrente e equilíbrio DC) – Balanceamento Vamos apresentar (novamente) a estrutura, definições dos parâmetros estruturais e elétricos, e as equações do modelo, primeiro para o nMOS, depois para o pMOS, e finalmente combinar ambos para formar o inversor. Em cada caso, vamos analisar os regimes de operação do transistor: corte, linear e saturação. Estrutura do nMOS Figura: Gary Tuttle, Iowa State University O nMOS planar tem uma estrutura MOS (modernamente, policristalino-óxido-semicondutor). As dimensões no plano são da ordem de 100 nm (até alguns μm, nos dispositivos mais antigos ou para correntes mais altas, 20 nm nos mais modernos). A espessura do óxido que forma o “portão” (gate) é de 1 nm a 10 nm. O diâmetro de um átomo de Si é 0,420 nm. Definições Os portadores majoritários (elétrons no nMOS e buracos no pMOS) fluem do source (fonte) para o drain (dreno). No nMOS v s = v b A polarização elétrica (tensões) para fazer com que ele funcione são como mostrado na figura: vDS > 0, (para criar corrente de D para S.) vGS > VT, (para criar ocanal.) Vbody = VS ou VSS. (para evitar corrente de corpo.) A corrente verdadeira (formada por elétrons livres na faixa de condução) é oposta à corrente convencional e sempre vai de S para D. Equações para o nMOS I dsn={ 0, se v gs<V tn (Corte) βn [(vgs−V tn)vds−vds 2 /2 ] , se v gs>V tn e vds<v gs−V tn (Linear) βn(v gs−V tn) 2/2, se v gs>V tn e vds≥v gs−V tn (Saturação) βn=μn ϵox W L tox Figura: https://www.allaboutcircuits.com/ MOSFET Channel-Lenght Modulation, Robert Keim, 2016. As equações para o modelo (podem ser derivadas de primeiros princípios, com alguns argumentos semi-empíricos) apresentam três regimes: Corte: Se vgs < vt, há uma corrente de fuga, que vamos desprezar (Ids = 0). Linear: Se vgs > vt, mas vds não é muito grande, temos um aumento rápido (quase linear) da corrente Ids com vds, até a saturação. Saturação: Se vgs > vt, e vds é grande, ocorre um “estrangulamento” do canal (pinch off), porque a tensão do dreno “levanta” um lado do canal até atingir espessura zero. A corrente não se anula, mas atinge um valor máximo, saturado Ids,sat ou Isat. Em modelos mais detalhados, a corrente ainda varia com Vds na região saturada, com uma inclinação λ (parâmetro de modulação do comprimento canal, não confunda com nosso fator de escala). O parâmetro β tem a forma de uma “condutância” não-linear e depende de parâmetros geométricos e materiais. Note que β é proporcional à largura W do transistor, à mobilidade dos portadores μ, e inversamente proporcional ao comprimento L do transistor. Estrutura do pMOS Figura: Gary Tuttle, Iowa State University O substrato n- geralmente é um poço n, formado sobre um substrato p-. Para o pMOS, a estrutura e as dimensões são similares ao nMOS, mas, como veremos a seguir, a largura W costuma ser maior do que no nMOs correspondente, devido ao menor valor da mobilidade μ dos portadores de carga positivos. Definições Os portadores majoritários (elétrons no nMOS e buracos no pMOS) fluem do source (fonte) para o drain (dreno). No pMOS, geralmente fazemos v s = v b = V dd V Tp < 0 A polarização elétrica (tensões) para fazer com que o pMOS funcione é oposta à do nMOS, com algumas das variáveis e parâmetros ficando negativos: vDS < 0, (para criar corrente de S para D.) vGS < VT, (para criar o canal, note que vGS e VT, são ambos negativos, então |vGS| > |VT |.) Vbody = Vs ou VDD. (para evitar corrente de corpo.) A corrente verdadeira (formada por buracos na faixa de valência) tem a mesma direção que a corrente convencional e sempre vai de S para D. Equações para o pMOS Note que V tp , v gs e v ds são todos negativos. Usualmente V body = V s = V dd . I sdp={ 0 , se vgs>V tp (Corte) βp [(v gs−V tp)vds−vds 2 /2 ] , se vgs<V tp e vds>v gs−V tp (Linear) β p(vgs−V tp) 2/2 , se vgs<V tp e vds≤v gs−V tp (Saturação) βp=μ p ϵox W Lt ox A equação para Isd no pMOS é similar à equação para Ids no nMOS. As tensões negativas do lado esquerdo aparecem em produtos com número par de termos, deixando o sinal positivo. Continuamos com três regimes de operação: Corte: Se vgs > vtp (mais próximo de 0), há uma corrente de fuga, que vamos desprezar (Isd = 0). Linear: Se vgs < vtp (“mais negativo”), mas vds não é muito grande (em módulo), temos um aumento rápido (quase linear) da corrente Isd, com vds, até a saturação. Saturação: Se vgs < vt, e vds é grande (em módulo), ocorre um “estrangulamento” do canal (pinch off), porque a tensão do dreno “levanta” um lado do canal até atingir espessura zero. A corrente atinge um valor máximo, saturado Isd,sat ou Isat. O parâmetro β continua proporcional à largura W do transistor, à mobilidade dos portadores μ, e inversamente proporcional ao comprimento L do transistor, mas a mobilidade dos portadores positivos μp ou μh costuma ser bem menor do aquela dos portadores negativos μn ou μe. O pMOS é “mais fraco” (produz menos corrente) que o nMOS de mesma largura e comprimento. Simulando no SPICE Análise DC de um transistor nMOS * Esboço do diagrama esquemático do circuito * * 1 (dreno) * | * _| * 2 ---| |_ 4 (body "corpo") * | * | * 3 (source "fonte") = 0 (GND) * **** Descrição do circuito (netlist) * uma fonte de tensão em cada terminal Vds 1 3 1.8V Vgs 2 3 1.8V Vss 3 4 0.0V Vbs 4 0 0.0V * um transistor nMOS * sintaxe: * Mnome_do_comp nó_D nó_G nó_S nó_B +nome_do_modelo parâmetros * segue a especificação do modelo com: * .model nome_do_modelo tipo mais_parâmetros *MnMOS 1 2 3 4 tn L=1U W=2U AS=4P AD=4P +PS=8U PD=8U * L (w) é o comprimento (largura) do gate, * AS é a área do source, AD área do dreno, * PS (PD) perímetro do source (dreno) *MnMOS 1 2 3 4 tn L=130nm W=260nm AS=67.6fm AD=67.6fm PS=1.04um PD = 1.04um *.model tn nmos level=1 MnMOS 1 2 3 4 tn L=130nm W=260nm .model tn nmos level=54 **** Bloco de análise *.dc Vds 0.0 1.8 0.001 .dc Vgs 0.0 1.8 0.001 *** Usar com: *set plottype = point *set pointsize = 0.3 *.dc Vds 0.0 1.8 0.001 Vgs 0.0 1.8 0.45 **** * poderia haver um bloco de controle, com .control ... +.endc **** .end Agora que conhecemos as equações, podemos escrever um programa para desenhar os gráficos, analisando a dependência da corrente Ids com as tensões vgs e vds. Podemos também simular transistores individualmente no SPICE Opus e comparar diferentes modelos, além de ver os efeitos dos parâmetros estruturais, como L e W. Fontes de tensão com 0 V podem ser necessárias para medir correntes. Simulando no SPICE VGS (V) -I D S ( A ) Ids x VGS no nMOS Este gráfico mostra a corrente “saindo do dreno” no transistor nMOS da netlist mostrada no slide anterior (Vdd = 1,8 V). Note a tensão de limiar Vtn ~ 0,32 V. Observamos também o valor da corrente máxima ~ 0,3 mA. Medindo a inclinação da reta poderíamos estimar o valor do parâmetro βn. Simulando no SPICE Análise DC de um transistor pMOS * Esboço do diagrama esquemático do circuito * * 1 (dreno) * | * _| * 2 --o| |_ 4 (body "corpo". Conectar com Vdd) * | * | * 3 (source "fonte") = Vdd * **** Descrição do circuito (netlist) * uma fonte de tensão em cada terminal Vds 1 3 0.0V Vgs 2 3 -1.8V Vss 3 4 0.0V Vbs 4 0 1.8V * um transistor pMOS * sintaxe: * Mnome_do_comp nó_D nó_G nó_S nó_B +nome_do_modelo parâmetros * segue a especificação do modelo com: * .model nome_do_modelo tipo mais_parâmetros *MpMOS 1 2 3 4 tp L=1U W=2U AS=4P AD=4P +PS=8U PD=8U * L (w) é o comprimento (largura) do gate, * AS é a área do source, AD área do dreno, * PS (PD) perímetro do source (dreno) *MpMOS 1 2 3 4 tp L=130nm W=260nm AS=67.6fm AD=67.6fm PS=1.04um PD = 1.04um MpMOS 1 2 3 4 tp L=130nm W=260nm .model tp pmos level=54 **** Bloco de análise *.dc Vds 0.0 -1.8 -0.001 *** Usar com: *set plottype = point *set pointsize = 0.3 .dc Vds 0.0 -1.8 -0.001 Vgs 0.0 -1.8 -0.45 **** * poderia haver um bloco de controle, com .control ... +.endc **** .end Esta netlist faz a análise DC de um pMOS. O SPICE permite varrer mais de uma fonte em análise DC, então podemos desenhar curvas de Ids versus vds para diferentes valores de vgs, por exemplo. O gráfico vai ter um “retraço” se os pontos forem conectados, então recomendo usar pontos isolados, finamente espaçados em vds, para parecer uma curva contínua. Simulando no SPICE VDS (V) VGS = -1.8 V VGS = -0.45 V I D S ( A ) Ids x VDS no pMOS Aqui está o resultado (“corrente saindo do dreno”) para o pMOS. Note que VDS está negativa, assim como VGS. Vemos também que a corrente não pára de crescer na região saturada, para estes parâmetros (principalmente L) do transistor. Isso significa que o modelo usado tem um parâmetro de modulação do canal λ diferente de zero. Inversor CMOS Transistor nMOS Transistor pMOS Finalmente, vamos juntar os dois transistores para formar um inversor CMOS,cuja estrutura relembramos nesta figura. Inversor CMOS Weste e Harris s d d s O sentido da corrente I dsp nesta figura é o oposto ao da corrente calculada na equação anterior I sdp . O sentido verdadeiro da corrente de buracos é ao contrário da figura: Vin Vout VddVss s d d s V gsn=V in−V SS , V gsp=V in−V DD V dsn=V out−V SS , V dsp=V out−V DD I sdp> 0 ⇒ I dsp< 0 Para analisar o inversor, vamos usar como variáveis a tensão de entrada Vin e a tensão de saída Vout, as quais se relacionam com as tensões Vgs e Vds de cada transistor pelas equações acima. A corrente dos transistores se soma (ou subtrai) para formar a corrente de saída Equações para o inversor CMOS Curvas para I dsn e I sdp versus V out , para diferentes valores de V in . Vin Vin Vss = 0, Vdd = 1,8 V, Vtn = 0,70 V, Vtp = - 0,71 V, βn = βp = 350 mA/V2. I out= I sdp− I dsn Aqui temos várias curvas das correntes Idsn e -Idsp versus Vout, em cada transistor, para diferentes valores de Vin. A subtração destas corrente dá a corrente de saída. Equações para o inversor CMOS Curvas para I out versus V out , para diferentes valores de V in . Vin Vss = 0, Vdd = 1,8 V, Vtn = 0,70 V, Vtp = - 0,71 V, βn = βp = 350 mA/V2. Vin Vout = “1”, Vin = “0” Vout = “1”, Vin = “1” Vout = “0”, Vin = “1” Vout = “0”, Vin = “0” I out= I sdp− I dsn Este gráfico mostra a corrente de saída versus Vout, para diferentes valore de Vin. Note que a corrente de saída se anula nos pontos onde o inversor produz a saída desejada: (Vout = “1”, Vin = “0”) e (Vout = “0”, Vin = “1”), e está sempre tendendo a “puxar” o valor de Vout para cima ou para baixo, dependendo do valor de Vin. Para uma carga capacitiva no regime permanente ou carga (saída) aberta, a corrente de saída deve ser nula (Iout = 0). Equações para o inversor CMOS No estado de equilíbrio (DC), com resistência infinita na saída, a corrente de saída deve ser nula, então I sdp = I dsn . Podemos procurar por pontos de interseção entre as curvas destas correntes em função das tensões de entrada e de saída. I out= I sdp− I dsn Para encontrar a curva onde Iout = 0, podemos desenhar as superfícies correspondendo às correntes em ambos os transistores, e procurar a região de interseção, ou desenhar a superfície de Iout diretamente, e procurar onde ela cruza o plano (x,y). O resultado é a curva em forma de “S”, que deve aparecer no gráfico Vout vs Vin da análise DC do inversor. Regimes para o inversor Vout VddVss s d d s com Vss = 0 Podemos também achar o regime de operação de cada transistor para determinar o regime de operação do inversor. Vamos reescrever os regimes (regiões) dos transistores em termos das tensões do inversor. Regimes para o inversor Vout VinVtn VddVtp+Vdd corte corte linear saturação saturação linear A B C D E No gráfico Vout vs Vin, as regiões são como mostrado na figura. Nas regiões de operação estática (A e E), temos sempre um transistor no regime de corte e o outro no regime linear. Nas regiões intermediárias ou quando o valor da saída não corresponde ao valor lógico desejado (C), geralmente temos pelo menos um dos transistores operando no regime saturado (fornecendo a maior corrente que consegue). Regimes para o inversor Vout VinVtn VddVtp+Vdd corte corte linear saturação saturação linear A B C D E I sdp = I dsn Se a saída estiver em aberto ou com carga capacitiva em regime permanente, o inversor estará sobre a curva verde, e o regime de cada transistor pode ser verificado por inspeção (derivada da curva). Esta curva aparece tantas vezes que merece um nome. Vamos chamá-la resposta DC ou relação saída-entrada. β=μ ϵox W L t ox Finalmente, podemos desenhar a curva de resposta com diferentes valores dos parâmetros. Lembrando que a mobilidade dos portadores positivos μp é bem menor que a dos portadores negativos μn, nosso inversor feito com transistores iguais apresenta uma resposta assimétrica (skewed, inclinada), deslocada para a esquerda, porque o nMOS é “mais forte” do que o pMOS. Ter uma curva de resposta simétrica é vantajoso, porque permite operação mais rápida (maior frequência de clock) e mais segura (maior tolerância a “ruídos”). Portanto, nas próximas aulas, vamos tentar balancear a saída do inversor, aumentando a largura do pMOS para obter βp / βn ≈ 1. Slide 1 Slide 2 Slide 3 Slide 4 Slide 5 Slide 6 Slide 7 Slide 8 Slide 9 Slide 10 Slide 11 Slide 12 Slide 13 Slide 14 Slide 15 Slide 16 Slide 17 Slide 18 Slide 19 Slide 20 Slide 21 Slide 1 Slide 2 Slide 3 Slide 4 Slide 5 Slide 6 Slide 7 Slide 8 Slide 9 Slide 10 Slide 11 Slide 12 Slide 13 Slide 14 Slide 15 Slide 16 Slide 17 Slide 18 Slide 19 Slide 20 Slide 21
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