mosfet - fig.if.usp.brfig.if.usp.br/~lucmod/science/mosfet.pdf · transistor de efeito de campo:...
Post on 13-Sep-2018
221 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Introduc ao
Introducao
• Transistores
• Descoberta
• Tipos de Transistores
• MOSFET
Metodos de Producao
Como Funciona?
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
2 / 36
Transistores
Introducao
• Transistores
• Descoberta
• Tipos de Transistores
• MOSFET
Metodos de Producao
Como Funciona?
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
3 / 36
Descoberta
Introducao
• Transistores
• Descoberta
• Tipos de Transistores
• MOSFET
Metodos de Producao
Como Funciona?
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
4 / 36
• Princıpio basico proposto na decada de 30 por Lilienfeld e Heil;• Bell Telephone em 1947 por Brattain e Bardeen;• Propriedades de superfıcie de germanio com contatos metalicos
retificadores;• Em Dezembro do mesmo ano, anunciam o transistor, porem as
primeiras versoes eram bem frageis;• W. Shockley em 1948 publica um trabalho teorico propondo o
transistor de juncao;• Premio Nobel em 1956 para Shockley, Brattain e Bardeen.
Tipos de Transistores
Introducao
• Transistores
• Descoberta
• Tipos de Transistores
• MOSFET
Metodos de Producao
Como Funciona?
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
5 / 36
Basicamente, os transistores estao divididos em:
1. Transistor bipolar de juncao:controle a partir da corrente de entrada
• pnp;• npn;
2. Transistor de efeito de campo:controle a partir da tensao de entrada
• juncao;• metal-semicondutor;• porta isolada .
MOSFET
Introducao
• Transistores
• Descoberta
• Tipos de Transistores
• MOSFET
Metodos de Producao
Como Funciona?
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
6 / 36
O que significa essa palavra?
• MOS - Metal-Oxide-Semicondutor;• FET - Field Effect Transistor.
• Uso de terminais eletricos, sendo substituıdo por polisilıcio.• Terminal porta isolado do semicondutor por uma camada de um
oxido do proprio semicondutor (SiO2).• A tensao de entrada gera um campo num capacitor, formado
pelo contato metalico da porta e pelo semicondutor do canal,separados por uma camada isolante.
• Alta impedancia de entrada.
Metodos de Produc ao
Introducao
Metodos de Producao
• Metodos de Producao
Como Funciona?
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
7 / 36
Metodos de Produc ao
Introducao
Metodos de Producao
• Metodos de Producao
Como Funciona?
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
8 / 36
• Difusao convencional;• Fotoresitencia;• Evaporacao a vacuo.
• Fotolitografia;• Implantacao ionica;• Corrosao;• Epitaxia;• Deposicao;• Oxidacao Termica.
Produc ao - Preparando o substrato
Introducao
Metodos de Producao
• Metodos de Producao
Como Funciona?
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
9 / 36
Substrato p
Produc ao - Adic ao do isolante
Introducao
Metodos de Producao
• Metodos de Producao
Como Funciona?
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
10 / 36
Óxido (SiO )2
p
Produc ao - Fotolitografia
Introducao
Metodos de Producao
• Metodos de Producao
Como Funciona?
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
11 / 36
ResinaFotoresistiva
Máscara
Luz Ultravioleta
p
Produc ao - Difus ao de impurezas
Introducao
Metodos de Producao
• Metodos de Producao
Como Funciona?
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
12 / 36
p
n+
Produc ao - Contatos met alicos
Introducao
Metodos de Producao
• Metodos de Producao
Como Funciona?
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
13 / 36
n+n+
Fonte Ponte Dreno SiO2
p Camada deinversão
Como Funciona?
Introducao
Metodos de Producao
Como Funciona?• Para VP < 0 eVF D = 0
• Para0 < VP < VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D < VP − VC
• Para VP > VC eVF D = VP − VC
• Para VP > VC eVF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensao Crıtica
• Esquema de ligacao
• Condutividade doeletron• Condutividade doeletron
• Tipos de MOSFET
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
14 / 36
Para VP < 0 e VFD = 0
Introducao
Metodos de Producao
Como Funciona?• Para VP < 0 eVF D = 0
• Para0 < VP < VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D < VP − VC
• Para VP > VC eVF D = VP − VC
• Para VP > VC eVF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensao Crıtica
• Esquema de ligacao
• Condutividade doeletron• Condutividade doeletron
• Tipos de MOSFET
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
15 / 36
n+
F P D
p
n+
Acumulacao
Para 0 < VP < VC e VFD = 0
Introducao
Metodos de Producao
Como Funciona?• Para VP < 0 eVF D = 0
• Para0 < VP < VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D < VP − VC
• Para VP > VC eVF D = VP − VC
• Para VP > VC eVF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensao Crıtica
• Esquema de ligacao
• Condutividade doeletron• Condutividade doeletron
• Tipos de MOSFET
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
16 / 36
n+
F P D
p
n+
Deplecao
Para VP > VC e VFD = 0
Introducao
Metodos de Producao
Como Funciona?• Para VP < 0 eVF D = 0
• Para0 < VP < VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D < VP − VC
• Para VP > VC eVF D = VP − VC
• Para VP > VC eVF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensao Crıtica
• Esquema de ligacao
• Condutividade doeletron• Condutividade doeletron
• Tipos de MOSFET
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
17 / 36
n+
F P D
p
n+
Inversao
Para VP > VC e VFD < VP − VC
Introducao
Metodos de Producao
Como Funciona?• Para VP < 0 eVF D = 0
• Para0 < VP < VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D < VP − VC
• Para VP > VC eVF D = VP − VC
• Para VP > VC eVF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensao Crıtica
• Esquema de ligacao
• Condutividade doeletron• Condutividade doeletron
• Tipos de MOSFET
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
18 / 36
n+
F P D
p
n+
Regiao Trıodo
Id =ǫoxµW
LTox
[
(VP − VC) VFD −V 2
FD
2
]
Para VP > VC e VFD = VP − VC
Introducao
Metodos de Producao
Como Funciona?• Para VP < 0 eVF D = 0
• Para0 < VP < VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D < VP − VC
• Para VP > VC eVF D = VP − VC
• Para VP > VC eVF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensao Crıtica
• Esquema de ligacao
• Condutividade doeletron• Condutividade doeletron
• Tipos de MOSFET
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
19 / 36
n+
F P D
p
n+
Transicao trıodo - saturacaopinch-off (pincamento)
Para VP > VC e VFD > VP − VC
Introducao
Metodos de Producao
Como Funciona?• Para VP < 0 eVF D = 0
• Para0 < VP < VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D < VP − VC
• Para VP > VC eVF D = VP − VC
• Para VP > VC eVF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensao Crıtica
• Esquema de ligacao
• Condutividade doeletron• Condutividade doeletron
• Tipos de MOSFET
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
20 / 36
F P D
n+
p
n+
Regiao de Saturacao
Id =ǫoxµW
2LTox(VP − VC)2
Capacitor
Introducao
Metodos de Producao
Como Funciona?• Para VP < 0 eVF D = 0
• Para0 < VP < VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D < VP − VC
• Para VP > VC eVF D = VP − VC
• Para VP > VC eVF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensao Crıtica
• Esquema de ligacao
• Condutividade doeletron• Condutividade doeletron
• Tipos de MOSFET
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
21 / 36
Queda do Potencial:
• no isolante (Vi);• no semicondutor (Vs).
V = Vi + Vs
Cargas no capacitor:
• na superfıcie do metal (Qm);• na superfıcie do semicondutor (Qs).
Q = −Qs = Qm > 0
Capacitor
Introducao
Metodos de Producao
Como Funciona?• Para VP < 0 eVF D = 0
• Para0 < VP < VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D < VP − VC
• Para VP > VC eVF D = VP − VC
• Para VP > VC eVF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensao Crıtica
• Esquema de ligacao
• Condutividade doeletron• Condutividade doeletron
• Tipos de MOSFET
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
22 / 36
Vi =Q
Ci, Ci = ǫi
A
dQs = −Q = −eNaLA
Comprimento da camada l
l =
(
2ǫsVs
eNa
)1/2
Tensao em func ao de l
V =eNad
ǫil +
eNa
2ǫsl2
Gerada a camada de deplecao l. Quando V > Vc, teremoscrescimento da carga de inversao.
Tensao Crıtica
Introducao
Metodos de Producao
Como Funciona?• Para VP < 0 eVF D = 0
• Para0 < VP < VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D < VP − VC
• Para VP > VC eVF D = VP − VC
• Para VP > VC eVF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensao Crıtica
• Esquema de ligacao
• Condutividade doeletron• Condutividade doeletron
• Tipos de MOSFET
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
23 / 36
Tensao Crıtica no caso ideal:
Vc =Qd
Ci+ 2φF
Tensao Crıtica no caso geral:
Vc =Qd
Ci+ 2φF + φms −
Qox
Ci
• Funcao trabalho φ;• Qd carga de deplecao maxima;• Para obter uma pequena tensao crıtica, deve-se fazer a
capacitancia Ci maior possıvel.
Esquema de ligac ao
Introducao
Metodos de Producao
Como Funciona?• Para VP < 0 eVF D = 0
• Para0 < VP < VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D < VP − VC
• Para VP > VC eVF D = VP − VC
• Para VP > VC eVF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensao Crıtica
• Esquema de ligacao
• Condutividade doeletron• Condutividade doeletron
• Tipos de MOSFET
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
24 / 36
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaabbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaabbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb
L
Z=0 Z=L
DZZ
L’
IDRDID RS
Condutividade do el etron
Introducao
Metodos de Producao
Como Funciona?• Para VP < 0 eVF D = 0
• Para0 < VP < VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D < VP − VC
• Para VP > VC eVF D = VP − VC
• Para VP > VC eVF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensao Crıtica
• Esquema de ligacao
• Condutividade doeletron• Condutividade doeletron
• Tipos de MOSFET
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
25 / 36
Eox =VG − V (z)
Tox
σc(z) = ǫoxEox(z) =ǫox
Tox[VG − V (z)]
Condic ao de corrente:
σm(z) =ǫox
Tox{[VG − V (z)] − VP }, seVG − V (z) > VP
σm(z) = 0, seVG − V (z) ≤ VP
Condut ancia:
G(z) =σm(z)µW
∆z
Condutividade do el etron
Introducao
Metodos de Producao
Como Funciona?• Para VP < 0 eVF D = 0
• Para0 < VP < VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D < VP − VC
• Para VP > VC eVF D = VP − VC
• Para VP > VC eVF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensao Crıtica
• Esquema de ligacao
• Condutividade doeletron• Condutividade doeletron
• Tipos de MOSFET
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
26 / 36
Pela Lei de Ohm:
Id = G(z)∆V = σm(z)µW∆V
∆z
Integrando sobre a largura do canal:
Id
∫ L
0
=ǫoxµW
LTox
∫ VD′
VS′
[VG − V (z) − VP ]dV
Finalmente:
Id =ǫoxµW
LTox
[
(VG − VP ) (VD′ − VS′) − 1
2
(
V 2
D′ − V 2
S′
)]
Tipos de MOSFET
Introducao
Metodos de Producao
Como Funciona?• Para VP < 0 eVF D = 0
• Para0 < VP < VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D = 0
• Para VP > VC eVF D < VP − VC
• Para VP > VC eVF D = VP − VC
• Para VP > VC eVF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensao Crıtica
• Esquema de ligacao
• Condutividade doeletron• Condutividade doeletron
• Tipos de MOSFET
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
27 / 36
Resultados Experimentais
Introducao
Metodos de Producao
Como Funciona?
ResultadosExperimentais• ResultadosExperimentais
• Dispositivos
Circuitos Integrados
28 / 36
Resultados Experimentais
Introducao
Metodos de Producao
Como Funciona?
ResultadosExperimentais• ResultadosExperimentais
• Dispositivos
Circuitos Integrados
29 / 36
• Comprimento L = 12, 7µm;• Largura W = 127µm;• Espessura Tox = 1000A;• Tensao de pinch-off 2V .• Dispositivo fabricado com 5ohm − cm silıcio tipo p.
Resultados Experimentais
Introducao
Metodos de Producao
Como Funciona?
ResultadosExperimentais• ResultadosExperimentais
• Dispositivos
Circuitos Integrados
30 / 36
Dispositivos
Introducao
Metodos de Producao
Como Funciona?
ResultadosExperimentais• ResultadosExperimentais
• Dispositivos
Circuitos Integrados
31 / 36
• 2200 transistores por polegadaquadrada;
• Corrente apos a saturacao;• Falha da condicao de Shock-
ley;• Multiplicacao dos Car-
regadores de alto campo;
• Equilıbrio termico entre os ter-minais.
Circuitos Integrados
Introducao
Metodos de Producao
Como Funciona?
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
• Circuitos Integrados
• Transistores porprocessador
• Agradecimentos
32 / 36
Circuitos Integrados
Introducao
Metodos de Producao
Como Funciona?
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
• Circuitos Integrados
• Transistores porprocessador
• Agradecimentos
33 / 36
• Formado por transistores, diodos, resistores e capacitores;• Fabricados na mesma pastilha de semicondutor e interligados
por filmes metalicos;• 1958, Jack Kilby produz o primeiro circuito integrado ganhando o
nobel de fısica no ano 2000.• Lei de Moore.
Tipos de CI:
• Analogicos: amplificadores, reguladores de voltagem e chaves.• Digitais: microprocessadores e memorias
Sobre as mem orias
Atualmente usa-se transistores do tipo MOSFET, no qual o capacitorcarregado representa o bit 1 e o descarregado representa o bit 0.
Circuitos Integrados
Introducao
Metodos de Producao
Como Funciona?
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
• Circuitos Integrados
• Transistores porprocessador
• Agradecimentos
34 / 36
O mais novo processador da Intel usa um composto com hafniocomo elemento isolante.
Transistores por processador
Introducao
Metodos de Producao
Como Funciona?
ResultadosExperimentais
Circuitos Integrados
• Circuitos Integrados
• Transistores porprocessador
• Agradecimentos
35 / 36
Intel 4004 2 300 1971 IntelIntel 80286 134 000 1982 IntelIntel 80486 1 200 000 1989 IntelPentium III 9 500 000 1999 IntelAMD K7 22 000 000 1999 AMDCore 2 Duo 291 000 000 2006 IntelCell 241 000 000 2006 Sony/IBM/ToshibaGT200 1 400 000 000 2008 NVIDIA
top related