ie733 – prof. jacobus cap. 5 transistores mos com canal implantado. (parte 1)

IE733 – Prof. Jacobus

Cap. 5

Transistores MOS com canal implantado.

(parte 1)

5.1 IntroduçãoSubstrato uniforme

B

SG

D

B

SG

DCap. 4 Cap.5

região implantada

Substrato não uniforme

A dopagem do substrato é modificada localmente entre a região de fonte e dreno.

A técnica usada é a de implantação iônica.

O principal objetivo é ajustar a tensão de limiar dos transistores para um valor desejável e modificar outras características (por ex. punchthrough).

Neste capítulo veremos:

• Transistores nMOS de enriquecimento;

• Transistores nMOS de depleção;

• Transistores pMOS de enriquecimento;

• Efeitos mais importantes associados aos transistores

com canal implantado;

• Modelos e resultados analíticos para cada tipo;

Os resultados quantitativos serão limitados a corrente de deriva.

Introdução

5.2 Transistores nMOS de Enriquecimento

5.2.1 – Considerações iniciais:

000 SBTT VVV

Para circuitos digitais:

VT deve ser alto suficiente para que a corrente seja desprezível quando VGS=0V (corrente de fuga pequena), porém;

VT não dever ser muito alto pois deve-se atingir grandes valores de corrente com o máximo valor possível de VGS – (operação em altas velocidades)

Para a tecnologia atual, VGS = VDD =1V e VT = 0.25V

VT para dispositivos sem implantação de canal (cap.4)

'

...2

ox

AS

C

Nq

Transistores nMOS de Enriquecimento

'

'0

oxMSFB C

QV

Tecnologia atual: Q’0 C’ox pois, Tox VFB MS

SBFBT VVV 00 então, para um valor de VT suficientemente positivo: para isso, NA

porém, substrato com alta dopagem implica em:grande variação de VT com VSB, aumento do valor de S (slope),

aumento do valor das capacitâncias de junção (reduz a velocidade dos CI’s).

Como resolver ?Do cap. 4:S=2.3nt SBF V

n

221

Implantação de íons aceitadores próximo à superfície!!!

A concentração do substrato (NA) não aumenta

Efeito de corpo e capacitâncias de junção são mantidas pequenas


Altera efetivamente o valor de Q’0 VFB VT.

Átomos aceitadores ionizados carga negativa

Porém a implantação de íons próximo à superfície não é adequada para dispositivos de canal curto (cap. 6). punchthrough.

Nota-se então que o projeto de dispositivos com canal implantado não é um tarefa fácil!!!

Geralmente são usadas duas implantações.

Transistor com canal implantado e MOS de três terminais correspondente:

Fig. 5.2


A implantação de íons é caracterizada pela “dose efetiva” (número de íons implantados/cm2 – de 1011 a 1013/cm2) e pela energia cinética média dos íons (5 a 200 keV).

Ex.:

Dose de 1x1012 cm-2

Energia de 60 KeV.

A distribuição inicial dos íons no semicondutor é aprox. gaussiana. Após a difusão dos dopantes causada pelas etapas térmicas, a forma da distribuição é a da figura 5.3a.

Para facilitar as análises, usa-se a distribuição da figura 5.3b. As constantes NI e dI devem ser apropriadamente escolhidas para resultar modelos precisos. Ex.: dI = RP+RP (~0.1m) como chute inicial

5.2.2 – Cargas e tensões de limiar. Transistores nMOS de Enriquecimento

VI é a tensão VCB quando dBm = dI.

dBm – largura da região de depleção

enquanto em inversão forte.

dI – profundidade da região implantada.

Em inversão forte e aumentando VCB, a região de depleção aumenta até chegar na profundidade dI para VCB=VI.

Enquanto VCB ≤ VI podemos considerar o dispositivo como sendo gate/óxido/região implantada, assim, a dopagem efetiva do substrato desse dispositivo será:

NAS = NAB + NI

dBm < dI

Para VCB baixo e aumentando VGB:


Do cap. 3 e substituindo NA por NAS;

CBAS

SBm V

Nqd 01.

.2 CBoxBB VCQQ 01

'1

'1

' .

'1

...2

ox

ASS

C

Nq

Para VCB ≤ VI

1''TCBGBoxI VVVCQ

CBFBox

BFBT VV

C

QVV 011011'

'

0111

Quando VCB = VI, temos dBm = dI;

01

2

.2

..

S

IASI

dNqV

FBFB VV 1

do transistor nãoimplantado:

'

'0

oxMSFB C

QV

(01 um pouco maior que 0 do não implantado)

Assumindo VGB suficiente para manter inversão forte e fazendo VCB > VI, a região de depleção será maior que a profundidade região implantada, daí:


As aproximações anteriores não valem!!

Região com dopagem NAS seguida de uma dopagem NAB.

Cap. 3 – Em inversão forte, S 01+ VCB, assim:

CBS

IoxBB V

dMqCMqQQ

.2

.... 01

'2

'2

'


VCB ≥ VI

'2

...2

ox

ABS

C

Nq

II dNM . M é a dose de implantação (cm-2).Se M=0, Q’

B2 é igual para dispositivos sem implantação.

'

'2

012ox

BFBT C

QVV

2''

TCBGBoxI VVVCQ

CBS

I

oxFBT V

dMq

C

MqVV

.2

...012'012

Obs: Caso dI 0, VT2 = VT1 com VFB aumentado por q.M/C’ox. Os

íons implantados estão próximos à superfície e eles atuam na carga de interface Q’0.

Por eletrostática (apêndice B e probl. 5.11):

CBS

I

S

I

S

I

oxFBT V

dMqdMqd

CMqVV

.2

..

.2

..

.2

1. 01201'2

Podemos re-escrever :

Considerando um dispositivo fictício sem implantação:

CBFBT VVV 0220222

S

IdMq

.2

..0102

S

I

oxFBFB

d

CMqVV

.2

1.

'2

VT2 será idêntico à expressão anterior se escolhermos:

VFB2 > VFB1

02 < 01

2 < 1 Expressão final:

CBTCBGBoxI VVVVCQ ''

ICBCBT

ICBCBTCBT VVVV

VVVVVV

,

,

2

1

CBiiiFBiCBTi VVVV 00


Eq. 5.2.28 a,b

Para o caso do transistor:


ISBSBT

ISBSBTT VVVV

VVVVV

,

,

2

1

Dopagem NAS uniforme VT = VT11 curva a

Dopagem NAB uniforme 2 curva bs/ implantação

Dopagem NAB uniforme mas com implantação rasa

Fig. 5.5a

Altera o valor de Q’0

Fig. 5.5b

VFB + q.M/C’ox curva c

dI 0

Podemos incluir estas expressões de VT nos modelos decorrente do cap. 4, ajustando NI e dI para ajuste das curvas.É uma aproximação, pois modelos do cap. 4 são p/ NA=cte.

Alternativa: desenvolver modelo com NA não uniforme.

Depende da necessidade e/ou interesse.


5.2.3 – Modelo de corrente para inversão forte – Fonte/Dreno

Se VDB ≠ VSB, então VCB varia ao longo do canal e a região de depleção também.Q’I vai ser função de VCB(x), que

pode ser maior ou menor que VI !

DB

SB

V

V CBIDSN dVQL

WI '.

DB

SB

V

V CBCBTCBGBoxDSN dVVVVVCL

WI '.

Assumindo VDB>VSB (VDS>0) temos 3 casos:

1o – VSB < VDB ≤ VI Região de depleção dentro da região implantada.

Eq. 5.2.33

- Não saturação.

Em toda região vale VCB < VI, assim (5.2.28a e 5.2.33):

2o – VI ≤ VSB < VDB Região de depleção fora da região implantada.

Em toda região vale VCB > VI,


2/30

2/303

2

22

2

10

'.),(

iXV

iYV

i

XVYVXVYViFBiVGBV

oxCL

WYVXVi

I

cap. 4

IDSN = I2(VSB,VDB)

IDSN = I1(VSB,VDB)

usando a eq. acima com i=2

Eq. 5.2.35

Transistores nMOS de Enriquecimento3o – VSB < VI < VDB

No ponto onde dI = profund. de implantação, ou seja, VCB = VI, temos:

DB

I

I

SB

V

V CB

CB

V

V

dV

dV

CBV

TV

CBVGBV

CBV

TV

CBVGBV

oxCL

W

DSNI

2

1'.

IDSN = I1(VSB,VI)+ I2(VI,VDB)

DBISBDBIISB

DBSBIDBSB

IDBSBDBSB

DSN

VVVVVIVVI

VVVVVI

VVVVVI

I

,),(

,,

),,(

21

2

1

Resumidamente:

Transistores nMOS de Enriquecimento- Região de Saturação, I constante.

0

DB

DSN

V

I VDB(pinchoff) → VP1.

Se VP1 < VI 01

2

1

211

1 42

FBGBP VVV

Se VDB (pinchoff) > VI obtém-se:

2

2

222

2 42

FBGBP VVV

Assumindo VSB fixo e VDB variando.

Se VSB < VI → VP1 se < VI Se VSB < VI e VP1 > VI → VP2

Desconsiderando a modulação do comprimento do canal, o modelo completo passa ser:

PDBDS

PDBDSN

DSVVI

VVII

,

,'PDB VVDSNDS II '

5.2.4 – Modelo Simplificado para Inversão forte

- São apresentados dois parâmetros: I1(região implantada) e

I2 (região sem implantação)


- Expansão da Eq. 5.2.35 (Prob. 5.2);

2

2

1'.),(XV

YV

IiXVYVXV

TiV

XV

GBV

oxC

L

WYVXVi

I

SBI

IVV

0201

11 1

I

IV

02

22

.21

I1 > I2

I1 e I2 são parâmentros críticos e devem ser cuidadosamente escolhidos para garantir continuidade nos modelos.

onde, VTi, i = 1,2. Eq. 5.2.44

Transistores nMOS de Enriquecimento- Na região de saturação.

- Se VSB < VI e VP < VI

- Se VSB < VI e VP > VI

- Se VI < VSB < VDB

1

11

I

SBTSBGBSBP

VVVVVV

2

22

I

ITIGBIP

VVVVVV

2

23

I

SBTSBGBSBP

VVVVVV

Lembrando que VP → VDB quando IDSN/ VDB = 0


A aproximação por canal não implantado apresenta resultados satisfatórios quando a dose implantada é pequena.

VSB = 0 e VGB pequeno → VP < VI curva tracejada 1

VSB = 0 e VGB grande → VP > VI curva tracejada 2

Quando VSB > VI → continuidade!!!

- Dispositivo com alta dose de implantação(simulado);

- Note que VTextr.1 < VTextr.2


5.2.5 –Inversão Fraca Para VSB > VI , a região de depleção fica fora da região implantada e o dispositivo se comporta como um sem implantação

Para VSB = 0 , a região de depleção fica dentro da região implantada;

= 1 assim, n e S ↑ (slope)

Portanto, a implantação de ajuste de VT deve ser projetada para que a região de depleção mantenha-se na região não implantada do substrato.

A região de depleção também não deve ser muito grande pois podem aparecer efeitos de canal curto (cap. 6)

Dificuldade para projetar circuitos analógicos, baseados no comporta-mento exponencial nesta região.

ie733 – prof. jacobus cap. 5 transistores mos com canal implantado. (parte 1)

Documents