Apresenta

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IE733 Prof. Jacobus Cap. 5 Transistores MOS
com canal implantado. (parte 2)
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5.3 Transistores nMOS de Depleção.
Enriquecimento
Depleção
Usando dopagem tipo p no canal a tensão de limiar
aumenta dispositivo enriquecimento.
Se desejarmos fazer um dispositivo tipo depleção
(VT significativamente negativo) devemos
implantar íons doadores.
Para isso, QB deve ser positivo, o que significa
que deve existir no canal uma concentração
liquida de átomos doadores.
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Transistores nMOS de Depleção
A implantação tipo n forma uma ligação entre
fonte e dreno. Assim para VGS 0 V existe
corrente no canal!!
Se VGS for suficientemente negativo, os elétrons
próximo à superfície são repelidos, e a
superfície torna-se depletada.
A condução fica limitada à região tipo n abaixo
da superfície.
Dispositivos que operam dessa maneira são
conhecidos como dispositivos de canal enterrado
(buried channel) em contraste ao dispositivo
anterior, chamado de dispositivo de canal de
superfície.
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Transistores nMOS de Depleção
Se considerarmos que todos os íons implantados
estão muito próximos à superfície
Q0 vai ser alterado por q(M), causando um
deslocamento do VT de -qM/Cox.
M NI.dI ? dose de implantação
Mais realisticamente, o perfíl é do tipo
NDS NI - NAB
Vamos analisar os dispositivos com esse tipo de
implantação.
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Transistores nMOS de Depleção
5.3.2 Cargas e tensões de limiar.
O substrato tipo p e a implantação tipo n formam
uma junção pn
O valor de VCB determina a largura da região de
depleção e os valores das cargas de cada junção.
Usando a aproximação por degrau descrita no
apêndice C, temos
carga de cada lado da junção.
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Transistores nMOS de Depleção
Existe uma região não depletada na implantação n
que contém cargas móveis (eletróns) e vai estar
disponível para condução.
Se diminuirmos VGB (negativo) estas cargas serão
repelidas pelas cargas negativas no terminal de
porta
VTB, tensão de limiar de porta-susbtrato.
Definiremos VTB como sendo a tensão VGB(-) onde
todos os portadores móveis da região n estão
repelidos.
VGB VTB
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Transistores nMOS de Depleção
Aumentando um pouco mais o valor de VGB
dispositivo de canal enterrado
As cargas na porta ficam menos negativas e apenas
parte da região implantada fica depletada para a
neutralidade de cargas.
Os elétrons da parte não depletada formam o
canal!!
Aumentando mais ainda VGB podemos alcançar o
ponto onde não existe depleção de superfície (QG
Q0 0) fig 5.12c.
O valor de VGB onde isso ocorre vamos denotar por
VNB.
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Transistores nMOS de Depleção
cada elétron está balanceado por um íon doador.
VGB VNB
VGC VN
Se aumentarmos VGB acima desse ponto, cargas
positivas vão aparecer no terminal de porta
fazendo com que elétrons se acumulem na
superfície da região implantada
os elétrons na camada de acumulação vão
contribuir com a condução.
VGC VGB VCB VGC gt VN
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Transistores nMOS de Depleção
A partir dessas considerações vamos desenvolver
as relações básicas das cargas num dispositivo
tipo depleção, lembrando que
QG Cox. ?OX
- Depleção de superfície.
QT () são as cargas devido aos átomos doadores
ionizados (fig5.12b).
QG Q0 QT 0
A equação do potencial indo da porta até o
susbtrato é
VGB ?OX ?T (fbi VCB) fMS
Onde ?MS é relativo ao substrato não implantado.
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Das equações acima obtém-se
Transistores nMOS de Depleção
Quando as duas regiões de depleção da fig 5.12b
se encontrarem ? VTB
A carga total nessa região de depleção será igual
à carga de íons doadores
usando as expressões de QT e QJ resolvendo para
VTB
Esta simplificação é assunto do Prob. 5.5
(assumiu se NI gtgt NAB)
Onde ? é relativo ao substrato não implantado
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Transistores nMOS de Depleção
O efeito de corpo também está presente neste tipo
de dispositivo
? VCB ? VT, porém com ?1 gt ?
Partindo da fig 5.12b, aumentando VCB com VGB
constante o canal pode desaparecer (VGBVTB) !!.
1o ? VCB, a região de depleção na junção aumenta.
2o ? VCB, a depleção de superfície aumenta (ver
equação QT).
Para um transistor VCB?VSB
(p/ NI gtgt NAB)
Podemos usar o VT acima nos modelos de IDS de
transistores não implantados, ou desenvolver mais
modelos específicos.
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Transistores nMOS de Depleção
Fazendo uma análise mais cuidadosa
A carga móvel na condição de depleção de
superfície é devida aos elétrons livres na parte
não depletada da implantação, Qnb.
Se não houver depleção ? Qnb número de átomos
doadores
q.NDS.dI
Se houver, é diminuído um elétron para cada átomo
depletado.
Os elétrons restantes
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Transistores nMOS de Depleção
Nos dispositivos tipo depleção pode acontecer um
caso indesejável
P/ NSD e VCB fixos, se dI ?, para estrangular o
canal ?T será ?
Se o potencial for grande, antes do
estrangulamento, pode acontecer a inversão de
superfície, ou seja, aparecer lacunas.
Sendo assim, não é possível estrangular o canal,
pois se ?T ?? este fica fixo e apenas lacunas ?
Para evitar, não utilizar alta dose e/ou alta
energia para a implantação da camada n!
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Transistores nMOS de Depleção
- Neutralidade de superfície.
VNB tensão VGB para neutralidade de cargas.
QG Q0 0
Não há queda de potencial ?
VGB ?ox ?bi VCB ?MS
Eq. 5.3.16
ou
A mesma análise anterior de cargas móveis pode
ser feita, lembrando que neste caso QT 0, daí
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Transistores nMOS de Depleção
- Acumulação de superfície.
Com VGB gt VNB
A carga (Qna) é devido aos elétrons na camada de
acumulação assumida infinitesimal.
A queda de potencial nessa região é desprezível!!
QG Q0 Qna 0
usando eq. 5.3.16
Eq. 5.3.22
A carga total (acumulação região não depletada)
é
Qna Qnn
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Transistores nMOS de Depleção
5.3.3 Operação do Transistor
Com VGS gt VT(VSB) e usando VSB ? VCB
O valor efetivo de VCB aumenta da fonte em
direção ao dreno assim a região de depleção será
mais profunda próximo ao dreno.
Dependendo das tensões nos terminais, podemos ter
1o Se VT lt VGS lt VN
Como VCB(x) aumenta, VT(VCB) também aumenta,
podendo levar o dreno ao estrangulamento. Antes
disso caso (a) VDS lt VDS1
- Se a tensão de dreno exceder esse valor (VDS1)
? (b)
áreas hachuradas regiões de depleção
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Transistores nMOS de Depleção
2o - VGS gt VN, acumulação de superfície.
- Se VDS for pequeno, caso (c).
- Se ?VDS ? região de depleção
QJ ? próximo ao dreno e ? Qna
Se aumentarmos ainda mais VDS, Qna tende a
desaparecer.
Para isto acontecer, VGD lt VN (VGD VGS VDS) ?
VDS gt VGS VN caso (d).
3o VDSgtVDS2.
Aumentando VDS até o estrangulamento, caso (e).
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Transistores nMOS de Depleção
Como podemos calcular as correntes nessas regiões
?
? QI será substituído pela carga total móvel de
cada caso.
? As mobilidades não serão as mesmas. Existem
diferentes tipos de mecanismos de espalhamento
(scattering) ?B gt ?S
Considerando os três casos de não-saturação
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Transistores nMOS de Depleção
1o - Depleção de superfície.
A carga total é dada por Qnb.
mB é a mobilidade no corpo da região n.
2o - Acumulação de superfície.
A carga total é dada por Qna na região de
acumulação e por Qnn, devido aos elétons da
região não depletada.
mS é a mobilidade na superfície.
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Transistores nMOS de Depleção
3o Acumulação/depleção de superfície.
VCBI é o valor de VCB, correnpondente ao ponto do
canal, onde se passa da acumulação para a
depleção.
Nesse ponto Qna 0
usando eq. 5.3.22
VCBI VGB - VFB - fbi
À esquerda deste ponto temos, Qna Qnn, à
direita, Qnb.
Usando as expressões desenvolvidas para Qna,
Qnn, e Qnb nas equações anteriores podemos
determinar as correntes IDSN. Para o cálculo de
VDS podemos aplicar a maneira usual dIDSN/dVDS
0 ou Qnb(VCBVDB)0
As expressões IDSN resultantes são complicadas,
mas é possível também serem feitas simplificações
(expansões por séries) Tabela 5.1
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Transistores nMOS de Depleção
Tabela 5.1
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Transistores nMOS de Depleção
A mobilidade de superfície pode ser atribuída
como dependente de VGS, usando o conceito de
mobilidade efetiva.
mB ? f(VGS).
P/ VTltVGSltVN ? IDS ?BCox/(1 ?) é lt que ?SCox
de canal de superfície!
- Degradação da mobilidade para altos valores de
VGS.
- O desvio para pequenos valores de VGS é devido
a corrente de difusão (inversão fraca!), não
utilizada nos modelos
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Para o gráfico de vIDS x VGS, (em saturação) Os
efeitos são menos pronunciados predomina o
efeito da degradação da mobilidade.
Transistores nMOS de Depleção
IDS k.(VGS - VT)2
Para alguns dispositivos de depleção, a equação
acima mostrou-se mais precisa do que para os de
enriquecimento com o mesmo substrato.
Em alguns simuladores, são atribuídas as mesmas
equações para os dispositivos de enriquecimento e
depleção, apenas usando valores de VT
correspondentes. Pode resultar em erros
significativos.
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As equações desenvolvidas (tabela 5.1) não valem
para transistores de depleção com implantação
profunda.
Transistores nMOS de Depleção
Vai existir um canal quando VSB for pequeno mesmo
se VGS for bem negativo.
O modelo também não é valido quando duas regiões
de depleção estão muito próximas, pois a corrente
de difusão torna-se importante, além da
aproximação de depleção abrupta tornar-se crítica.
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5.3 Transistores pMOS de Enriquecimento.
Depleção
Enriquecimento
Usar uma implantação do mesmo tipo do substrato.
transistor compensado
Neste caso é necessário aumentar o valor de VT p/
-0.5V
QB deve ser negativo ? I/I tipo p no canal ?
pMOS depleção.
O transistor compensado apresentar muitos efeitos
de canal curto.
Usa-se CMOS p poly gates.