mos_cmos_v02

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Tecnologias de Circuitos Integrados
MOS-CMOS
Manoel Eusebio de Lima
Greco-CIn-UFPE
Tecnologias de Circuitos Integrados
� MOSFET (Metal Oxide Silicon Field Effect Field)
– nMOS (N-type MOS)
– pMOS (P-type MOS)
– CMOS (Complementary - type MOS)
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.
Elemento dopanteElemento dopante
(5 el(5 eléétrons de valênciatrons de valência
Sb Sb –– Antimônio, Antimônio, 
FFóósforo, Arsênio)sforo, Arsênio)
Cristal de Germânio c/impurezas doadorasCristal de Germânio c/impurezas doadoras
SbSb
55 eleléétron livretron livre
Transistor Transistor nMOSnMOS
W = comprimento do canal
L = tamanho do canal
DrenoDreno
(difusão)(difusão)
FonteFonte
(difusão)(difusão)
GateGate
((polisilpolisilííciocio))
difusãodifusão
difusãodifusão
PolisilPolisilííciocio
DifusãoDifusão
condutorescondutores
Transistor nMOS
Um transistor Um transistor nMOSnMOS
metal metal
Polisilício
Source gate drain
Vista de cima
contato
Óxido de Silício
contato
Vista em corte
simbologia
Transistor pMOS
� 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.
Elemento dopanteElemento dopante
(3 el(3 eléétrons de trons de 
valência valência InIn--IndiumIndium, , 
Boro)Boro)
Cristal de Germânio c/impurezas aceitadorasCristal de Germânio c/impurezas aceitadoras
InIn
33buracoburaco
2
22
Transistor Transistor pMOSpMOS
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).
difusãodifusão
difusãodifusão
contato
Transistor nMOS
nMOS
Vgs cria o canal
VgsVgs
++
--
++
-- Capacitor MOS – modos de operação
•• AcumulaAcumulaççãoão
•• DepleDepleççãoão
•• InversãoInversão
• Transistor polarizado sem condução de corrente
elétrica, na região de corte
Vgs = 0 V
Vds = 0 V
TransistorTransistor nMOSnMOS -- FuncionamentoFuncionamento
VthVth (tensão de limiar) (tensão de limiar) éé a tensão na qual o a tensão na qual o 
dispositivo MOS comedispositivo MOS começça a conduzir (a a conduzir (““turnturn onon””).).
VdsVds éé a tensão entre o dreno e a fonte do a tensão entre o dreno e a fonte do 
dispositivo.dispositivo.* * VtnVtn ≅≅≅≅≅≅≅≅ 0.2VDD0.2VDD
fontefonte drenodreno
--semsem camadacamada de de inversãoinversão no canalno canal
-- IIdsds = 0 = 0 
•Transistor na região linear ou resistiva
Vds < Vgs - Vtn
TransistorTransistor nMOSnMOS -- FuncionamentoFuncionamento
-- fracafraca camadacamada de de inversãoinversão no canalno canal
-- IIdsds dependedepende de de VVgsgs e e VVdsds
IIdsds aumentaaumenta com com VVdsds
(similar a um resistor linear)(similar a um resistor linear)
3
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Transistor Transistor nMOSnMOS -- FuncionamentoFuncionamento
IIdsds aumentaaumenta com com VVdsds
(similar a um resistor linear)(similar a um resistor linear)
Eletrons fluindo através
de um transistor de sílicio
canal
http://researchweb.watson.ibm.com/resources/press/strainedsilicon/
•Transistor na região de saturação
Vds > Vgs – Vtn, Vgd < Vth (tensão de limiar)
TransistorTransistor nMOSnMOS -- FuncionamentoFuncionamento
-- forte forte camadacamada de de inversãoinversão no canalno canal
-- IIdsds independeindepende de de VVdsds, a , a correntecorrente
saturasatura ((fontefonte de de correntecorrente))
••CorrenteCorrente de avalanchede avalanche
••O canal O canal éé estranguladoestrangulado
Transistor MOS - operação
� Corte
– Se Vgs < Vt, então Ids = 0 
� Linear
– Se Vds < ( Vgs-Vt), então Ids depende dos 
valores Vds e Vgs
� Saturado
– Se Vds > (Vgs-Vt), então Ids não depende de 
Vds. Ids é essencialmente constante.
CaracterCaracteríísticas Tensão sticas Tensão -- Corrente Corrente 
((VdsVds--IdsIds))
tn, 
tn
tn tn
tn
tn
tn
RegiãoRegião linearlinear RegiãoRegião de de saturasaturaççãoão
RegiãoRegião cortecorte
CaracterCaracteríísticas de condusticas de conduçção de ão de 
transistores MOStransistores MOS
(alta) (depleção)
Transistores MOS vistos como Transistores MOS vistos como SwitchesSwitches
>>
>>
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44
Fabricação de Circuitos VLSI
� Criação
� Definir
� Etch (produzir o desenho do circuito desejado através de 
máscaras)
Pastilhas de silício
Formação de material por deposição,
difusão ou implantação
Definição dos circuitos por litografia
Etch8 a 10 interações
•• Passos simplificados na confecPassos simplificados na confecçção do SiOão do SiO22
Transistor nMOS
Luz UV
Máscara de vidro
Máscara (molde)
Foto-resistor
SiO2
Foto-resistor
SiO2
Oxidação do gate
Substrato de silício
Camada fina de 
óxido de silício
molde do Poli-silício
Poli-silício
Difusão ou implante Difusão de 
impurezas
Contatos de 
alumíniomolde da camada
de alumínio
SiO2
Transistor nMOS
Cortes de contato SiO2 por deposição
Características elétricas da tecnologia 
MOS
� Circuitos lógicos MOS dissipam uma pequena 
quantidade de potência em função das grandes 
resistências existentes nos dispositivos MOSFET. 
Q1 Q1 ((depletiondepletion))
Q2 Q2 ((enhancementenhancement))
VVdddd=+5V=+5V
GNDGND
VVinin
VVinin = 0V= 0V
a) Q1 a) Q1 -- RonRon(Q1) = 100 (Q1) = 100 KohmsKohms
b) Q2 b) Q2 -- RoffRoff(Q2)(Q2)
Id = Id = VddVdd RonRon(Q1)+(Q1)+RoffRoff(Q2) 0.05nA(Q2) 0.05nA
Potência Pd = 0.25 Potência Pd = 0.25 nWnW
VVinin = +5V= +5V
a) Q1 a) Q1 -- RonRon(Q1) = 100 (Q1) = 100 KohmsKohms
b) Q2 b) Q2 -- RonRon(Q2) = 1 (Q2) = 1 KohmsKohms
IId d = = VVdddd RonRon(Q1)+(Q1)+RonRon(Q2) 50 A(Q2) 50 A
Potência PPotência Pdd = 0.25 mW= 0.25 mW
≅
≅ µ
Id
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.
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 .
5
55
Características elétricas da tecnologia 
CMOS
� 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.
VVinin VVoutout
VVdddd
VVssss
PP--switchswitch -- pullpull--upup
NN--switchswitch -- pullpull--downdown
Inversor CMOSInversor CMOS
Inversor CMOS Layout – vista de cima
VVinin VVoutout
VVdddd
VVssss
Vin Vout
0 1
1 0
Vin (gate)
Vout
Terra
Vcc
pMOS
nMOS
Inversor CMOS
Operação de um inversor CMOS
VinVin VoutVout
VddVdd
VssVss
CCloadload
Q1Q1
Q2Q2
IIdd
11-- VinVin = = VddVdd
AnAnáálise do circuito:lise do circuito:
VddVdd=+5V=+5V
0V0V
VoutVout
RoffRoff
RonRon
Cálculo de Vout
Vdd = Ids(Roff+Ron) =>
Vdd = Ids.Roff+Ids.Ron =>
Vdd = Ids.Roff+Vout =>
Vout = Vdd-Ids.Roff 0V≅
IdsIds
Ron < 1 Kohms
Roff 1010Kohms
Ids é pequeno, mas Roff é bastante grande
≅
Característica estática de um inversor 
CMOS• Note que Vh = 5V, VL = 0V, e que Ids = 0A.
• Isto significa que não existe praticamente dissipação de potência. 
Operação de um inversor CMOS
VinVin VoutVout
VddVdd
VssVss
CCloadload
Q1Q1
Q2Q2
IIdd
22-- VinVin = 0V= 0V
AnAnáálise do circuito:lise do circuito:
VddVdd=+5V=+5V
0V0V
VoutVout
RonRon
RoffRoff
Cálculo de Vout
Vdd = Ids(Roff+Ron) =>
Vdd = Ids.Roff+Ids.Ron =>
Vdd = Vout+Ids.Ron =>
Vout = Vdd-Ids.Ron Vdd=5V≅
IdsIds
Ron < 1 Kohms
Roff 1010Kohms
Ids é muito pequeno
≅
6
66
Característica estática de um inversor 
CMOS
• Note que Vh = 5V, VL = 0V, e que Ids = 0A.
• Isto significa que não existe praticamente dissipação de potência. 
Operação de um inversor CMOS
P P ““onon””
N N ““offoff””
P P ““onon””
N N ““onon””
P P ““offoff””
N N ““onon””
VoutVout
VinVin
VddVdd
0.5 0.5 VddVdd
00 VthVth 0.5Vdd 0.5Vdd VddVdd++VtpVtp
IdsIdsnn = = -- IdsIdspp
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.
VinVin VoutVout
VddVdd
VssVss
CCloadload
Q1Q1
Q2Q2
IIdd VinVin
VoutVout
IdId
�� Podemos constatar que em alta freqPodemos constatar que em alta freqüüências CMOS ências CMOS 
comecomeçça a perder vantagens sobre as outras fama a perder vantagens sobre as outras famíílias llias lóógicas gicas 
Id (reversa)
Lógica CMOS
Lógica Combinacional
� Porta NAND
sasaíídada AA
00 11
00 11 11
BB
11 1 01 0
AA BB
P P
N
N
Vcc (‘1’)
GND (‘0’)
saída
Vcc
GND
A
B
Saída
Saída
GND
A
B
C
n
A B C
n
Vcc
Porta NAND de 
n-entradas
(A+B)
(A B)
Dual LDual Lóógicogico
NAND CMOS
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Lógica Combinacional
� Porta NOR
AA BB
N
N
P
Vcc (‘1’)
GND (‘0’)
saída
P
Vcc
GND
A
B
saída Saída
Vcc
n
A
B
C
A B C
n
GND
sasaíídada AA
00 11
00 11 00
BB
11 0 00 0
(A B)
(A+B)
Dual LDual Lóógicogico
NOR CMOS
Transmission gate
TransmissionTransmission GateGate
� Análise do transistor tipo N como “pass transistor”
� Análise do transistor tipo P como “pass transistor”
� Análise do transmission Gate “CMOS”
CanalCanal--NN
CanalCanal--PP
VinVin VoutVout
Transistor tipo N como Transistor tipo N como ““passpass transistortransistor””
� Condição Inicial Vout=0V (capacitor descarregado) φ φ φ φ = ´0´ , Vgs=0V, 
assim Ids = 0 mA independente do valor de Vin
� Quando φφφφ= ´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 φ φ φ = ´0´, portanto Vout
= Vdd-Vth.
Canal-NVin
Vout
Vgs
CI
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’.
Transistor tipo P como Transistor tipo P como ““passpass transistortransistor””
� Condição Inicial Vout=0(capacitor descarregado) φ φ φ φ = ´1´ , 
Vgs=Vdd, assim Ids = 0 mA independente do valor de Vin.
� Quando φφφφ= ´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 φ φ φ = ´1´.
Vin Vout
Canal-P
Vgs
CI
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´.
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88
Aplicação com Flip-Flops
� Flip-Flop tipo D
QQ
QQININ
LDLD
LDLD
LD = LD = ‘‘11’’ -- carrega IN em Qcarrega IN em Q
LD = LD = ‘‘00’’ -- mantmantéém Q m Q 
Multiplixador analógio CMOS (8 canais)
Chaves CMOS/Transmission gates