mosfet - fig.if.usp.brfig.if.usp.br/~lucmod/science/mosfet.pdf · transistor de efeito de campo:...

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MOSFET

Lucas Modesto da Costa

Instituto de Fısica - DFGE - USP

12 de dezembro de 2008

Introduc ao

Introducao

• Transistores

• Descoberta

• Tipos de Transistores

• MOSFET

Metodos de Producao

Como Funciona?

ResultadosExperimentais

Circuitos Integrados

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Transistores

Introducao

• Transistores

• Descoberta


• MOSFET

Metodos de Producao

Como Funciona?



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Descoberta

Introducao

• Transistores

• Descoberta


• MOSFET

Metodos de Producao

Como Funciona?



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• 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


• MOSFET

Metodos de Producao

Como Funciona?



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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


• MOSFET

Metodos de Producao

Como Funciona?



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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?



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Metodos de Produc ao

Introducao

Metodos de Producao


Como Funciona?



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• Difusao convencional;• Fotoresitencia;• Evaporacao a vacuo.

• Fotolitografia;• Implantacao ionica;• Corrosao;• Epitaxia;• Deposicao;• Oxidacao Termica.

Produc ao - Preparando o substrato

Introducao

Metodos de Producao


Como Funciona?



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Substrato p

Produc ao - Adic ao do isolante

Introducao

Metodos de Producao


Como Funciona?



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Óxido (SiO )2

p

Produc ao - Fotolitografia

Introducao

Metodos de Producao


Como Funciona?



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ResinaFotoresistiva

Máscara

Luz Ultravioleta

p

Produc ao - Difus ao de impurezas

Introducao

Metodos de Producao


Como Funciona?



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p

n+

Produc ao - Contatos met alicos

Introducao

Metodos de Producao


Como Funciona?



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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



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Para VP < 0 e VFD = 0

Introducao

Metodos de Producao







• Capacitor

• Tensao Crıtica



• Tipos de MOSFET



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n+

F P D

p

n+

Acumulacao

Para 0 < VP < VC e VFD = 0

Introducao

Metodos de Producao







• Capacitor

• Tensao Crıtica



• Tipos de MOSFET



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n+

F P D

p

n+

Deplecao

Para VP > VC e VFD = 0

Introducao

Metodos de Producao







• Capacitor

• Tensao Crıtica



• Tipos de MOSFET



17 / 36

n+

F P D

p

n+

Inversao

Para VP > VC e VFD < VP − VC

Introducao

Metodos de Producao







• Capacitor

• Tensao Crıtica



• Tipos de MOSFET



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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







• Capacitor

• Tensao Crıtica



• Tipos de MOSFET



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n+

F P D

p

n+

Transicao trıodo - saturacaopinch-off (pincamento)

Para VP > VC e VFD > VP − VC

Introducao

Metodos de Producao







• Capacitor

• Tensao Crıtica



• Tipos de MOSFET



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F P D

n+

p

n+

Regiao de Saturacao

Id =ǫoxµW

2LTox(VP − VC)2

Capacitor

Introducao

Metodos de Producao







• Capacitor

• Tensao Crıtica



• Tipos de MOSFET



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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







• Capacitor

• Tensao Crıtica



• Tipos de MOSFET



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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







• Capacitor

• Tensao Crıtica



• Tipos de MOSFET



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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







• Capacitor

• Tensao Crıtica



• Tipos de MOSFET



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aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaabbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb

aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa




aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa

aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaabbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb

L

Z=0 Z=L

DZZ

L’

IDRDID RS

Condutividade do el etron

Introducao

Metodos de Producao







• Capacitor

• Tensao Crıtica



• Tipos de MOSFET



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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







• Capacitor

• Tensao Crıtica



• Tipos de MOSFET



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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







• Capacitor

• Tensao Crıtica



• Tipos de MOSFET



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Resultados Experimentais

Introducao

Metodos de Producao

Como Funciona?

ResultadosExperimentais• ResultadosExperimentais

• Dispositivos


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Introducao

Metodos de Producao

Como Funciona?


• Dispositivos


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• Comprimento L = 12, 7µm;• Largura W = 127µm;• Espessura Tox = 1000A;• Tensao de pinch-off 2V .• Dispositivo fabricado com 5ohm − cm silıcio tipo p.


Introducao

Metodos de Producao

Como Funciona?


• Dispositivos


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Dispositivos

Introducao

Metodos de Producao

Como Funciona?


• Dispositivos


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• 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.


Introducao

Metodos de Producao

Como Funciona?



• Circuitos Integrados

• Transistores porprocessador

• Agradecimentos

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Introducao

Metodos de Producao

Como Funciona?





• Agradecimentos

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• 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.


Introducao

Metodos de Producao

Como Funciona?





• Agradecimentos

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O mais novo processador da Intel usa um composto com hafniocomo elemento isolante.

Transistores por processador

Introducao

Metodos de Producao

Como Funciona?





• Agradecimentos

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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

Agradecimentos

Introducao

Metodos de Producao

Como Funciona?





• Agradecimentos

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OBRIGADO A TODOS

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