1 - o transistor mos - caracteristicas

Emmanuel Dupouy, 11/05/2014

O transistor MOS Caractersticas

Esse guia de laboratrio tem dois objetivos:

estudar, em simulao, o comportamento do transistor MOS em tecnologia 0,35m

se familiarizar com o ambiente de simulao AWR

AWR (National Instrument) uma plataforma de concepo completa incluindo diversas ferramentas

permitindo de auxiliar o projetisto durante todas as etapas levando fabricao de um circuito

eletrnico que seja monoltico ou no:

simulao sistema

simulao eltrica

desenho de layout

simulao eletromagntica

verificao

Outras plataformas concorrentes oferecem as mesmas possibilidades, como ADS da Agilent ou Ansoft

Designer. Essas plataformas so muito usadas pelos projetistas de circuitos de RF ou microondas

porque permitem de simular problemas ocorrendo em frequncia alta.

As plataformas da Cadence ou da Mentor so as mais usadas pelos projetistas de circuitos integrado

analgico ou digital. Elas no oferecem possibilidades de simulaes eletromagnticas, ao contrrio

das outras, mas, em compensao, oferecem inmeras possibilidades de configurao, assim que

ferramentas de automatizao e de verificao muito competitivas.

As razes para utilizar o AWR durante essa disciplina so diversas:

oferta de licenas acadmicas gratuitas para os professores e os estudantes

funcionamento no Windows (facilidade para instalar no computador pessoal)

disponibilizao de um PDK permitindo de ilustrar todas as etapas de concepo de um circuito

integrado analgico

facilidade de utilizao (user-friendly)

Apresentao do ambiente de simulao No AWR, todas as ferramentas so reagrupadas na mesma janela principal (Fig. 1), no gerenciador de

projeto. Os nomes sendo explcitos, a simples leitura dos mesmos informara o leitor da funo de cada

um.

NB: a ferramenta de desenho do layout, assim que as bibliotecas de componentes esto posicionadas

nas abas ao lado daquela do projeto.

Durante essa atividade, ns vamos criar um esquema eltrico (Circuit Schematics), e exibiremos os

resultados de simulao em uns grficos (Graphs). Ns criaremos tambm equaes (Output

Equations) para calcular uns parmetros do transistor MOSFET.


Fig. 1: Janela principal depois de iniciar AWR

Para comear, ns vamos configurar o AWR para utilizar o PDK BiCMOS genrico: File New

With Library AWR Examples Libraries Generic GenBic35.

Em seguida, nomear e salvar o projeto: File Save Project As

Depois disso, basta fazer um clico no atalho apropriado para salvar o projeto de vez em quando

e no perder nosso precioso trabalho.

A biblioteca de componentes se encontre na aba Elements. Conferir que os componentes da

tecnologia BiCMOS esto bem disponveis e aproveitar para dar uma olhada s possibilidades ofertas.

Nesse primeiro trabalho, ns vamos somente usar os transistores

MOSFET nmos1 e pmos1.

Na realidade, os PDK fornecidos pelos fabricantes de

semicondutores oferecem uma variedade de componentes bem

maior. Mas, ter acesso a um PDK completo requer a assinatura de

acordos de confidencialidade. O acesso, muito restrito,

geralmente reservado ao meio profissional.

Mas, esse PDK, mesmo simplificado, oferece do ponto de vista

didtico numeras possibilidades e permite notadamente de

ilustrar o fluxo completo de concepo de um circuito integrado.


Criao de um esquema eltrico Ns vamos estudar o comportamento de um transistor MOS alimentado por duas fontes de tenso

independentes.

Project > Add Schematic > New Schematic

Digite I_Vds e clique no boto Create. Uma janela de esquemtico aparece no espao de

trabalho e um item aparece no menu Circuit Schematics do gerenciador de projeto.

Procure os componentes na aba Elements do gerenciador de projeto e arraste-os na rea de

trabalho

o nmos1 (Libraries *Generic GenBic35 CMOS)

o V_DC (Sources DC)

o GND (Interconnects) (existe um atalho na barra de ferramenta)

Organize e configure-os de forma parecida Fig. 2 (Clique 2 vezes no componente para editar

a suas propriedades)

Clique nos terminais dos componentes para realizar as conexes

Fig. 2: Esquema eltrico do transistor MOS com suas duas fontes de polarizao

Visualizao do ponto de operao AWR oferece a possibilidade de visualizar o ponto de operao diretamente no esquema eltrico.

Clique direito encima do nome do esquema eltrico no gerenciador de projeto. Escolhe a

opo Add Annotation...

A janela Add Schematic Annotation aparece, configure-a do jeito mostrado na Fig. 3 e clique

no boto OK

DCVSID=V1V=1 V

DCVSID=V3V=1 V

D

G

S

1

2

3

4

Gen:Bic35:nmos1ID=M1l=0.35 umng=1w=10 um


Fig. 3: Anotao do parmetro gm

Faa o mesmo para os outros parmetros que voc precise acrescentar: correntes nos fios

(DCIA), tenses nos ns (DCVA_N), gds (OpPnt1_DC_E), vth (OpPnt1_DC_E).

Inicie a simulao

Fig. 4: Visualizao do ponto de operao do circuito diretamente no esquema eltrico

Corrente de dreno (Id) vs tenso dreno-fonte (Vds) Para essa simulao, ns vamos polarizar o transistor com VGS = 1V (Vth 0,75V para essa tecnologia).

Q: Nesse caso, o transistor funciona no regime de inverso forte. O que significa?

D

G

S

1

2

3

4

gm:0.000604 Sgds:1.4e-5 Svth:0.722 V


0.0884 mA

0 mA

DC_VID=V1Sweep=NoneV=1 V

0 mA

1 V

0 V

DC_VID=V2Sweep=NoneV=1 V

0.0884 mA

1 V


O objetivo de fazer variar a tenso Vds e medir a corrente Id. Para isso, ns vamos criar uma varivel

chamada vds e configurar sua faixa de variao:

Crie uma varivel vds: Draw Add Equation, vds=1 (existe um atalho na barra de ferramentas)

Clique direito encima da varivel vds e escolhe Setup Sweep... para definir a faixa de variao

(0 2V) e o nmero de pontos (100).

Substitua a tenso fixa de 1V na fonte Vds pela varivel novamente criada

O esquema modificado deve parecer ao esquema seguinte:

Criao do grfico Id=f(Vds) Para criar um grfico:

Clique direito encima do menu Graphs no gerenciador de projetos e escolhe New Graph

Selecione o grfico de tipo Rectangular, digite Id_Vds como nome e clique no boto Create.

O grfico aparece no espao de trabalho e um item criado no menu Graphs do gerenciador

de projeto

Acrescente a medio a realizar no grfico: clique direito encima do nome do grfico e escolhe

o menu Add Measurement

A janela de configurao aparece. Configure-a como mostrada na Fig. 5 e clique no boto OK

Q: lgico pegar a corrente DC no menu Nonlinear? Por qu?

Inicie a simulao: Simulate Analyse (existe um atalho na barra de ferramentas)

O resultado de simulao aparece no grfico criado (Fig. 6)

DCVSID=V1V=vds V

Xo Xn. . .

SWPVARID=SWP1VarName="vds"Values=swplin(0,4,100)UnitType=None

DCVSID=V3V=1 V

D

G

S

1

2

3

4


vds=1


Fig. 5: Configurao da medio de Id em funo de Vds

Fig. 6: Grfico de Id em funo de Vds

Q: usando marcadores (Clique direito Add Marker), calcule a condutncia de sada do componente

e deduz o parmetro . Compare com o valor obtido durante a simulao do ponto de operao.

Q: o efeito de modulao de comprimento do canal bem visvel. Mas, percebe-se tambm que

quando Vds passa de 3V, a subida acelera. Outro efeito vem se superpor? Qual? Explique o que

acontece? (ns no falamos desse efeito durante as aulas)

Criao do grfico Id=f(Vds) para vrias tenses Vgs Crie uma nova varivel vgs e configure-a para variar de 0.6V at 2V com 5 pontos

0 1 2 3 4

Voltage (V)

Id_Vds

0

0.05

0.1

0.15

IDC(DC_V.V2) (mA)Id_Vds.AP_DC


Substitua a tenso fixa de 1V na fonte Vgs pela varivel novamente criada

Edite a configurao da medio de Id: clique duplo na medio dentro do gerenciador de

projeto. Configure a varivel vds para Use for x-axis e a varivel vgs para Plot all traces

Simule de novo. Voc deve obter um grfico similar Fig. 7.

Fig. 7: Id=f(Vds) para vrias tenses Vgs

Q: repete o mesmo trabalho para o transistor PMOS

Efeitos da variao da largura, do comprimento do canal e do nmero de dedos do

transistor Nessa parte, ns vamos visualizar de forma dinmica o efeito da variao do nmero de dedos assim

que da largura do transistor sobre a corrente Id. Ns veremos tambm o efeito dessa variao sobre o

desenho fsico do transistor. Para esse trabalho, AWR prope uma ferramenta chamada Tune.

Selecione o esquema eltrico NMOS no gerenciador de projeto para mostra-lo no espao de

trabalho.

Clique direito encima de NMOS no gerenciador de projeto: Selecione Disable All Annotations

Selecione Simulate Tune tools (existe um atalho na barra de ferramentas). Aparece uma

ferramenta. Dentro do esquema eltrico, selecione os parmetros l, w e ng do transistor.

Selecione View View Layout e View View 3D Layout. Abrem duas novas abas com o layout

do transistor exibido em vista de cima na primeira e em 3D na segunda (Fig. 8).

Fig. 8: Layout 2D e 3D do transistor nmos1

Selecione Simulate Tune (existe um atalho na barra de ferramentas).

Modifique o valor dos parmetros fsicos do transistor e visualize o resultado nos layouts e na

corrente Id.

0 1 2 3 4

Id

0

0.5

1

1.5

2

p5

p4

p3

p2

p1

IDC(Gen:Bic35:nmos1.M1@1) (mA)NMOS.AP_DC

p1: vgs = 0.6

p2: vgs = 0.95

p3: vgs = 1.3

p4: vgs = 1.65

p5: vgs = 2


Corrente de dreno (Id) vs tenso porta-fonte (Vgs) Para realizar essa simulao, ns vamos escolher uma tenso Vds fixa igual a 1V.

Desative a variao da varivel vds: clique direito encima do elemento SWPVAR da varivel

vds Toggle Enable.

Modifique a variao da variavel vgs para acrescentar mais pontos (100) e comear em 0V.

O novo esquema deve parecer ao esquema mostrado na Fig. 9.

Fig. 9: Esquema eltrico para a simulao Id=f(Vgs)

Simule e visualize a variao de Id em funo de Vgs. O resultado deve parecer Fig. 10.

Fig. 10: Id = f(Vgs) em escala linear e escala logartmica

Q: Porque interessante visualizar a corrente usando a escala linear e a escala logartmica?

Corrente de dreno (Id) vs tenso substrato-fonte (Vbs) Repete a simulao anterior fazendo variar tambm a tenso do bulk Vbs. Observe a evoluo da

tenso de limiar.

Potncia da progresso da corrente Id em funo da tenso de

Overdrive Vov = Vgs - Vth As tecnologias atuais no respeitam mais a lei quadrtica deduzidas das expresses iniciais do

transistor MOSFET devido a uns efeitos de canal curto e de saturao da velocidade dos portadores.

DCVSID=V3V=vgs V

D

G

S

1

2

3

4

Gen:Bic35:nmos1ID=M1l=0.35 umng=1w=10 um Xo Xn. . .

SWPVARID=SWP1VarName="vds"Values=swplin(0,4,100)UnitType=None

DCVSID=V1V=vds V

Xo Xn. . .

SWPVARID=SWP2VarName="vgs"Values=swplin(0,2,100)UnitType=None

vds=1vgs=1

0 0.5 1 1.5 2

Id

-0.5

0

0.5

1

1.5

IDC(Gen:Bic35:nmos1.M1@1) (mA)

NMOS.AP_DC

0 0.5 1 1.5 2

Id

1e-008

1e-006

.0001

.01

1

100

IDC(Gen:Bic35:nmos1.M1@1) (mA)

NMOS.AP_DC


Na saturao, temos: =

( )

com 1 < < 2.

Vamos determinar em simulao o valor de . Para isso, preciso escrever uma serie de equaes:

Crie uma folha de equaes: clique direito encima de Output Equations New Output

Equations... e d o nome de alpha.

A folha feita de dois tipos de itens: medies (Draw Add Output Equation...) de cor verde

e equaes (Draw Add Equation) de cor preta.

Complete-a conforme srie de equaes seguinte:

Q: Explique por que as equaes anteriores chegam ao resultado desejado

Crie um novo grfico chamado alpha e lhe acrescente a medio da varivel alpha (se

encontre no menu Output Equation da janela de medio). Simule. O grfico deve ser igual

Fig. 11.

Fig. 11: Potncia da progresso de Id em funo da tenso Vgs para uma tenso Vds de 1V

Esse resultado somente valido na zona de saturao. O valor de alpha na saturao igual a 1.9, bem

prximo do valor ideal de 2.

n_id = vlen(Id)

alpha = (log10(y1)-log10(y2))/(log10(x1)-log10(x2))

Vgs = NMOS.AP_DC:VDC(Gen:Bic35:nmos1.M1@2)

Id = NMOS.AP_DC:IDC(Gen:Bic35:nmos1.M1@1)

x2 = subsweepi(Vgs,1,n_id-1)-vth

x1 = subsweepi(Vgs,2,n_id-1)-vth

y1 = subsweepi(Id,2,n_id-1)

y2 = subsweepi(Id,1,n_id-1)

vth_m = NMOS:OP_DC(Gen:Bic35:nmos1.M1@vth)

vth=subsweepi(vth_m,1,n_id-1)

0.0303 1.03 2.03 3

alpha

0

2

4

6

8

10

0.99171.903

|Eqn(alpha)|

alpha


Q: conhecendo agora todos os outros parmetros, deduzir o valor de nCox.

Transcondutncia A transcondutncia (gm) representa a variao da corrente Id em relao a uma variao infinitamente

pequena de Vgs. interessante estudar sua variao em funo da tenso Vgs para uma tenso Vds fixa,

ou seja a evoluo do gm para os diferentes regimes de funcionamento.

O gm pode ser obtido de forma simples, realizando uma simulao direta do ponto de operao como

mostrado anteriormente.

Crie um novo grfico gm, e acrescente uma nova medio de tipo: Non linear OP Point

OP DC conforme Fig. 12

Simule e visualize o grfico (Fig. 13).

Fig. 12: Janela de configurao da medio de gm


Fig. 13: Evoluo do gm em funo de Vgs para uma tenso Vds igual a 1V

Q: Justifique a evoluo de gm. Usando 2 cursores em cada curva, calcule o valor da potncia da

progresso de gm em relao a Vgs. Esses valores so coerentes com os resultados precedentes? Por

qu?

0 1 2 3

gm

0

0.0005

0.001

0.0015

0.002

OP_DC(Gen:Bic35:nmos1.M1@gm) (S)NMOS

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