![Page 1: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/1.jpg)
Microeletrônica
Prof. Fernando Massa Fernandeshttps://www.fermassa.com/Microeletrônica.php
(Prof. Germano Maioli Penello)
Sala 5017 [email protected]
http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Microeletronica_2016-2.html
1
![Page 2: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/2.jpg)
Lei de Moore
http://en.wikipedia.org/wiki/Moore%27s_law
286386
Pentium 4
Transistores com dimensões menores que 20 nm!
“O número de transistores dobraa cada 18-24 meses”
![Page 3: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/3.jpg)
Tecnologia CMOS – Visão Geral
Par MOSFET Complementar. → Inversor. → Porta Nand. →
→ Circuitos digitais (Lógica Booleana) → Processadores Memórias Microcontroladores
Leiaute →
CMOS – Tecnologia dominante na fabricação de CIs
![Page 4: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/4.jpg)
Fazendo um CI
http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html
![Page 5: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/5.jpg)
Etapas recorentes
![Page 6: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/6.jpg)
Sala limpa
Laminar http://en.wikipedia.org/wiki/Cleanroom
Ambiente normal - 35,000,000 partículas/m3 com tamanhos acima de 0.5mSala Limpa Classe 100 (ISO 5) – 3,520 partículas/m3 com tamanhos acima de 0.5mSala Limpa Classe 1 (ISO 3) – 35 partículas/m3 com tamanhos acima de 0.5m
Sala limpa (ISO 1) – 12 partículas/m3 com tamanhos acima de 0.3m
16
![Page 7: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/7.jpg)
Exemplos de Processos de fabricação comerciais
• CMOS padrão (circuitos digitais)
• CMOS HV (alta tensão)
• CMOS SOI (Silicon on Insulator) →Para melhor isolamento e controle de canal
• SiGe-BiCMOS → Alta freq (RF, micro-ondas)
• CMOS-OPTO → Para optoeletrônica (Wafer especial) • SiGe:C → Sistemas Microeletromecânicos (MEMS)
![Page 8: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/8.jpg)
Substrato e poçoOs circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si.Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato mais comum de ser usado em CI CMOS
No substrato tipo-p, NMOS são fabricados diretamente, enquanto PMOS são fabricados em um poço-n.
O substrato ou o poço são chamados de corpo do MOSFET.
Normalmente, uma camada epitaxial de Si é crescida antes do processamento. Não faremos distinção entre essa camada e o próprio substrato.
Um processamento que usa o substrato tipo-p com um poço-n é chamado “processo poço-n” (“n-well process”). Um processamento que usa o substrato tipo-n com um poço-p é chamado “processo poço-p” (“p-well process”).
21
![Page 9: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/9.jpg)
Difusão
Difusão de átomos doadores (tipo-n).
Elemento da coluna V da tabela periódica
P - Fósforo.
Note que a difusão ocorre também embaixo do fotorresiste protetor
4
![Page 10: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/10.jpg)
Leiaute do poço-nO leiaute das máscaras fotolitográficas é feita consideranto a visão superior. Um dos pontos chaves do leiaute é o fator de escala. Ex.:Dimensões mínimas = 50nmQuadrado de 10x10 (adimensional) tem seus lado de 500nm desprezando a difusão lateral e outras imperfeições.
Usar números inteiros para desenhar o leiaute simplifica o processamento.
Vista superior
Seção reta
25
![Page 11: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/11.jpg)
Regras de design (poço-n)
A medida que o leiaute fica mais e mais complicado, programas computacionas que verificam se as regras de design não são violadas são fundamentais.
O tamanho mínimo pode ser devido à qualidade de criar padrões no fotorreste enquanto que o espaçamento mínimo pode ser devido ao transistor npn parasítico.
Veremos as regras de design mais adiante no curso!
27
![Page 12: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/12.jpg)
Resistor (poço-n)
Além de ser usado como o corpo do PMOS, o poço pode ser usado como um resistor.
Se as tensões nos terminais do resistor forem maiores que a tensão do substrato, podemos evitar que o diodo parasítico seja polarizado diretamente.
23
![Page 13: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/13.jpg)
Resistência de folha
Uma grandeza comum é a resistência de folha de um material. Ela é utilizada em sistemas de filmes finos e implica que o fluxo de corrente se dá ao longo do plano da folha, e não perpendicular a ela.
Unidade de Rs : /sq ou /
Esta unidade serve para evitar a confusão entre a resistência de folha e a resistência
Ex. Um quadrado com Rs = 100 /sq tem resistência de 100 .Um retângulo de lado 1 e comprimento 3 do mesmo material tem resistência de 300
32
Além de servir como base para o transistor PMOS, o poço-n também é utilizado para criar resistores.
A espessura t de um processo CMOS é normalmente fixa
O valor projetado não é alterado pelo fator de escala!
![Page 14: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/14.jpg)
Exemplo
Calcule a resistência de um poço-n que tem comprimento 100 e largura 10. Considere Rs = 2 k/sq. Agora, considere que devido ao processamento, esse valor pode variar entre 1.6 a 2.4 k/sq.
Note como o valor do resitor não é muito preciso!
24
![Page 15: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/15.jpg)
Concentração de portadoresÀ temperatura ambiente (~300K) em um Si intrínseco,
n – elétrons livresp – buracos
Pode parecer um número grande, mas é baixo se comparado ao número de átoms de Si no cristal (NSi = 50 x 1021 cm-3)
Só existe um par elétron/buraco a cada ~1012 átomos de Si
7
![Page 16: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/16.jpg)
Dopagem
A dopagem aumenta a condutividade porque agora há mais portadores disponíveis para realziar a condução. No semicondutor tipo-n esse excesso é de elétrons. No semicondutor tipo-p esse excessor é de buracos.
É de se imaginar que, se o número de elétrons aumenta com a dopagem, o número de buracos no mesmo material diminua. Por que?
Essa relação entre elétrons, buracos e número de portadores intrínsecos é governada pela Lei de ação das massa
A dopagem é feita para alterar as propriedades elétricas do semicondutor.Dopante tipo p? – B (coluna III da tabela periódica)Dopante tipo n? – P (coluna V da tabela periódica)
8
![Page 17: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/17.jpg)
Exemplo
Pouquíssimos buracos! Note que com ND = 1018, a aproximação de que
começa a não ser muito boa. Quando ND ~ NSi, o material é chamado de degenerado. Materiais degenerados não seguem mais a lei de ação das massas.
9
![Page 18: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/18.jpg)
Junção pn - Energia de Fermi
http://jas.eng.buffalo.edu/education/pin/pin2/index.html#
10
Nível de Fermi no silício intrínseco (não dopado).
![Page 19: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/19.jpg)
Energia de Fermi (Junção pn)
Ao criar uma junção pn, como fica a estrutura de banda da junção?
Junção pn
(Reveja eq. do slide 43)
13
![Page 20: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/20.jpg)
DiodoAs características DC de um diodo são dadas pela equação de Shockley do diodo
http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/iv/index.html
2
![Page 21: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/21.jpg)
Capacitância parasítica
Uma região de cargas fixas positivas e cargas fixas negativas pode ser analisada como placas de um capacitor! Essa capacitância parasítica é chamada de capacitância de depleção ou de junção.
16
![Page 22: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/22.jpg)
Capacitância parasíticaA capacitância de depleção (polarização reversa) pode ser modelado pela equação
Cj0 – capacitância sem tensão aplicada na junçãoVD – Tensão no diodom – coeficiende de gradação (grading coefficient)Vbi – potencial intrínseco
17
![Page 23: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/23.jpg)
Exemplo
26
Capacitância de depleção - polarização reversa (VD negativo).
Quando o diodo é polarizado diretamente, os portadores minoritários formam uma capacitância de difusão muito maior que a de depleção!
![Page 24: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/24.jpg)
Capacitância parasíticaCapacitância de difusão
A capacitância de difusão pode ser caracterizada como:
Modelo útil para análise de sinais pequenos AC. Em aplicações digitais estamos mais interessados em chaveamento de sinais altos. Em geral, em processos CMOS não desejamos ter diodos polarizados diretamente. Diodos polarizados diretamente são considerados problemas! 10
![Page 25: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/25.jpg)
Atraso RC por um poço-nVimos até agora que o poço-n pode ser usado como um diodo em conjunto com o substrato e como um resistor. Como toda junção pn tem uma capacitância parasítica, ao analisar o resistor, temos que incluir essa capacitância nos cálculos.
11
Esta é a forma básica de uma linha de transmissão RC!
![Page 26: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/26.jpg)
Atraso RC por um poço-n
Tempo de atraso do circuito
Tempo de subida
IMPORTANTE EM CIRCUITOS DIGITAIS 16
![Page 27: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/27.jpg)
Atraso RC por um poço-nAnalisamos um simples circuito RC. O modelo de resistência inclui diversos circuitos RC acoplados. Como analisar?
Para um número l de segmentos:
Soma de l termos com incremento 1 (Gauss fez isso quando era criança! )
Se l >> 1
23
![Page 28: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/28.jpg)
Exemplo
24
69 ns
* Tempo de subida
![Page 29: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/29.jpg)
Parasíticos associados ao metal
28 ps é um atraso significativo?
31
Utilizando o SiO2 como dielétrico com constante dielétrica ~4.
![Page 30: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/30.jpg)
Capacitância metal-substratoO substrato está aterrado e para efeitos práticos pode ser pensado como um plano equipotencial.
Aparecimento de capacitâncias parasíticas entre o metal e o substrato.
Capacitâncias parasíticas típicas em um processo CMOS 17
![Page 31: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/31.jpg)
Capacitância parasítica entre metal2 e metal1
(Veja a tabela)Capacitância parasítica entre quadrados de 10x10 com =50nm
36
Qual a variação de tensão no metal1 quando o metal2 varia de 0 a 1V?
(Conservação de carga Q = CV)
![Page 32: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/32.jpg)
Limite de corrente
51
![Page 33: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/33.jpg)
CrosstalkUm sinal propagando em um condutor acopla com o outro condutor.
Im – corrente no condutor adjacenteVA – tensão de sinal
17
Indutância mútua:
IA é a corrente injetada que varia no tempo (sinal de entrada), Vm é a tensão induzida (sinal de saída) e Lm é a indutância mútua.
O crosstalk pode ser reduzido se aumentarmos a distância dos condutores!
![Page 34: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/34.jpg)
Ground bounce - AC
Este capacitor deve ser inserido externamente ao circuito entre os pinos VDD e terra do CI.
É muito comum em CMOS circuitos com baixíssima dissipação (baixo consumo de corrente), ex. Calculadora de alimentação solar. Nestes casos, o problema DC não é crítico.
Mas e se, num curto período, a corrente vai a 50A?Podemos adicionar um capacitor decoupling que mantém a DDP do circuito.
21
![Page 35: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/35.jpg)
Exemplo
270 pF não é um valor de capacitância que pode ser feita facilmente.
Se o circuito está rodando a 500MHz (período de 2ns),
Corrente alta para a saída de um CI 25
![Page 36: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/36.jpg)
Porta auto alinhada
A área abaixo do poly não é dopada (camada poly auto alinhada).
A camada poly protege a região abaixo dela da implantação dos dopantesA fina camada de óxido entre o poly e a região ativa é chamada de óxido de porta - gate oxide (GOX)
GOX
O dreno e fonte ficam auto alinhados com a deposição do poly da porta.
22
![Page 37: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/37.jpg)
Exemplo de erros
Abertura no óxido-FOX (camada ativa)
Implantação dos dopantes (camadas select) antes da deposição do poly.
O que aconteceria caso o poly e as camadas ativas fiquem ligeiramente desalinhadas?
Esta é a vantagem da camada poly auto alinhada.23
![Page 38: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/38.jpg)
Resistências típicasCom silicide as resistências são bem menores!
Note que o silicide é sempre colocado acima do poly! Se for colocado abaixo, cria um contato retificador (contato de barreira Schottky).
25
![Page 39: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/39.jpg)
Bloco de siliceto
Resistências da tabela do slide anterior (com e sem Silicide):
26
![Page 40: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/40.jpg)
FEOL e BEOL
As sequências feitas nos últimos slides são chamadas de FEOL (front-end of the line)
As sequências feitas após isso (camadas de metais e vias) são chamadas de BEOL (back-end of the line))
36
![Page 41: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/41.jpg)
Etapas de processo damasceno
As sequências 1)Trincheira2)Cobrir a trincheira com óxido3)Polir o substrato para que o topo seja plano
É chamado de processo damasceno. Foi este o processo que apresentamos aqui.
O processo damasceno é utilizado mais comumente nas camadas metálicas. Trincheiras são formadas nos isolantes, cobre é depositado e o topo do wafer é polido para ficar plano
37
![Page 42: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/42.jpg)
Conectando o substrato-p ao terra
Não conectamos diretamente o metal1 no substrato! A conexão é feita na camada p+.
Lembre-se que o poly fica em cima do FOX e o metal1 fica em cima do isolante acima do FOX.
21
![Page 43: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/43.jpg)
Lembrem-se do trabalho 1Resistor de poço-n
A conexão é feita utilizando a camada ativa e a n-select. Se o substrato está aterrado, não podemos aplicar potenciais menores que aprox. -0.5V para evitar a condução através do diodo parasítico.
26
Resistência é estimada entre as beiradas da região ativa L
Nesta seção de corte não estamos mostrando o siliceto
![Page 44: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/44.jpg)
Leiaute de um NMOS
Sempre que a camada poly cobre a camada ativa, temos um MOSFET!Dispositivo de 4 terminais.Corpo conectado ao terra.
Dreno e fonte são equivalentes.27
![Page 45: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/45.jpg)
Leiaute de um PMOS
Sempre que a camada poly cobre a camada ativa, temos um MOSFET!Dispositivo de 4 terminais.Corpo conectado ao VDD.
Dreno e fonte são equivalentes.28
![Page 46: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/46.jpg)
46
Transistor PMOS, as camadas ativas são dopadas com átomos aceitadores através da camada p-select. Outra forma de identificar é que o PMOS é construído sobre o poço-n.
• O transistor abaixo é um NMOS ou um PMOS?• O leiaute tem um problema. Identifique-o.• Faça um esboço da seção reta ao longo da linha
pontilhada. Considere que este é um processamento que utiliza dois metais
Este transistor não tem a conexão de corpo (conexão com o poço-n). Neste caso, o corpo deve estar conectado a qual potencial? VDD.
![Page 47: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/47.jpg)
Poço-nFOX FOX
IsolanteIsolante
Isolante
47Substrato-p
p+ p+
![Page 48: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/48.jpg)
48
• Por que a capacitância parasítica por quadrado do polisilício é maior do que a do metal1?
Para uma mesma área e considerando o mesmo óxido, a capacitância do polisilício é maior do que a do metal1 porque o polisilício tem uma espessura menor de óxido entre os contatos elétricos.
e – permissividade do óxido
A – área das placas paralelas
d – distância entre as placas
![Page 49: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/49.jpg)
Resistores
49
Cálculo SPICE (termo quadrático):
No cálculo a mão, consideramos TCR2 = 0
![Page 50: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/50.jpg)
Exercício
50
![Page 51: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/51.jpg)
Resistores
51
A resistência também se altera com a aplicação de tensão. O coeficiente de tensão é dado por VCR:
V é a tensão média aplicada nos terminais do resistor.
Este fenômeno é observado principalmente por causa da largura da região de depleção entre o poço-n e o substrato que altera a resistência de folha.
![Page 52: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/52.jpg)
Exercício
52
Bem menor que a variação devido a temperatura
![Page 53: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/53.jpg)
Exemplo
53
Divisor de tensão. Relacionar Vout e Vin
Em função da temperatura:
Independente da temperatura!
Em função da tensão:
Com
e
Dependente da tensão!
![Page 54: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/54.jpg)
Resistores
54
Guard ring
Todo circuito de precisão está sujeito a ruídos do substrato (corrnete em circuitos adjacentes influenciando os vizinhos)
O guard ring (implantação de p+ entre os circuitos) é um método simples de reduzir o ruído.
•Mantém o potencial em volta do circuito•Protege o circuito de injeção de portadores indesejadas vindas do substrato.
Guard ring num resistor
![Page 55: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/55.jpg)
Exercício
55
![Page 56: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/56.jpg)
Resistores
56
Elementos dummy (falso, postiço)
Difusão desigual devido a variações de concentração de dopantes levaria a um descasamento entre elementos. O elemento dummy não tem função elétrica nenhuma, ele é normalmente aterrado ou ligado ao VDD em vez de ficarem flutuando.
![Page 57: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/57.jpg)
Capacitores
57
Processos CMOS podem conter uma segunda camada de polisilício chamada poly2.
Importante para:Capacitores poly-polyMOSFETsDispositivos de portas flutuantes (EPROM, memória FLASH, por exemplo)
C´ox – capacitância por área
Espessura entre as camadas poly (tox) é a mesma do GOX.
![Page 58: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/58.jpg)
Capacitores
58
Dependência com tensão e temperatura
Coeficiente de temperatura:
Coeficiente de tensão:
![Page 59: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/59.jpg)
MOSFET
59
Difusão lateral
O dopante difunde lateralmente criando um MOSFET de comprimento Leff
![Page 60: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/60.jpg)
MOSFET
60
Oxide encroachment (invasão do óxido)
O óxido invade a região ativa e reduz a área do transistor. Para compensar, o leiaute pode ser aumentado antes de fazer a máscara que define a região ativa.
![Page 61: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/61.jpg)
MOSFET
61
Capacitância parasítica de depleção de fonte e dreno
Modelo SPICE:
Não confundir capacitância de depleção (polarização reversa) com capacitância de difusão (polarização direta)!
![Page 62: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/62.jpg)
MOSFET
62
Resistência parasítica de fonte e dreno
O comprimento da região ativa aumenta a resistência parasítica em série com o MOSFET, determinada pelo número de quadrados na fonte (NRS) e dreno (NSD)
NRS = comprimento da fonte / largura da fonte
Resistência de folha incluída no modelo SPICE como rsh (confira o valor no processo C5)
![Page 63: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/63.jpg)
MOSFET
63
Capacitância parasítica
Para obter boa resposta a altas frequências, é desejado que a capacitância maior seja aterrada (para NMOS) ou conectada ao VDD (PMOS)
Maior capacitância
A menor capacitância descarrega pelos dois capacitores (maior resistência no caminho de descarga) enquanto a maior capacitância não carrega nem descarrega.
Menor capacitância
![Page 64: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/64.jpg)
MOSFET
64
Capacitância parasítica
Dispositivo operando na região de inversão forte (strong inversion region)
Capacitância não depende da extensão da difusão lateral
Canal formado entre o dreno e a fonte
![Page 65: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/65.jpg)
MOSFET
65
Capacitância parasítica
Dispositivo operando na região de depleção. Não há canal entre o dreno e fonte.
Capacitância depende da extensão da difusão lateral
Os parâmetros CGDO (gate-drain overlap capacitance) e CGSO são estipulados no modelo SPICE. Confira os valores no modelo do processo C5.
![Page 66: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/66.jpg)
Exemplos de leiautes
66
Capacitores apenas com camadas de metal.
Capacitância entre vias (também chamada de capacitor lateral).
Tipicamente 500 aF/m vs. 25 aF/m da capacitância de borda com o substrato
A adição de vias aumenta a capacitância lateral, mas não linearmente.
![Page 67: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/67.jpg)
Exemplos de leiautes
67
Resistores de polisilício
Melhor performance quando necessita-se de razões precisas entre resistências (não forma junções pn como a resistência de poço-n).
Melhor casamento, melhor comportamento em função da temperatura e tensão
Em geral, tamanho mínimo da largura e comprimento de 10 a 100
Por exemplo, para um processo de canal-curto, onde = 50 nm, a largura mínima do resistor de poli será de 500 nm.
Resistores largos dissipam melhor o calor – menores efeitos de eletromigração → R = ρ (L/A)
![Page 68: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/68.jpg)
68
Exemplos de leiautesResistores de polisilício
http://www.paulotrentin.com.br/eletronica/conversor-dac-atraves-da-rede-de-escada-r2r/
Onde ficam o MSB, LSB, Term. e Vout?
Rede resistiva tipo R-2R(R-2R resistor string)
![Page 69: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/69.jpg)
Tempo de transição e de atraso
69
No nosso modelo digital:
Ctot = capacitância total entre o dreno e o terra.
Modelo simplificado para ser usado no cálculo a mão apenas!
![Page 70: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/70.jpg)
Exemplo
70
Descarga Carga
![Page 71: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/71.jpg)
Exemplo
71
Descarga Carga
Canal longo
Canal curto (maior resistência de canal)
![Page 72: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/72.jpg)
MOSFET pass gate
72
NMOS é bom para passar sinal lógico 0
NMOS não é bom para passar sinal lógico 1
![Page 73: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/73.jpg)
Atraso num pass gate
73
Exemplo:
![Page 74: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/74.jpg)
Transmission gate
74
Acoplar um NMOS e um PMOS
Desvantagens:Aumento de área utilizada no leiauteDois sinais de controle
![Page 75: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/75.jpg)
Atraso em conexão de pass gates
75
10x NMOS (50 nm) em série + uma carga capacitiva de 50fF tdelay ~ 1,2ns
O atraso total é a soma do atraso da conexão pass gate (linha de transmissão) com o atraso do carregamento da capacitância na saída.
![Page 76: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/76.jpg)
Inversor CMOS
76
Características DC VTC - Característica de transferência de tensão
Importante – Se o sinal não varre totalmente os limites inferiores e superiores da tensão uma corrente significativa passa pelo inversor! (potência dissipada!)
O mesmo fenômeno é significativo se o transistor chaveia lentamente.
![Page 77: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/77.jpg)
Inversor CMOS - Projeto digital
77
Por que NMOS e PMOS têm tamanhos diferentes?
Casamento da resistência de chaveamento efetiva
![Page 78: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/78.jpg)
Inversor CMOS
78
Ponto de chaveamento do inversor (VSP)
Os dois transistores estão na região de saturação e a mesma corrente passa por eles
Vsp → Vg
![Page 79: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/79.jpg)
Exemplos
79
Se n/p = 1, temos VSP = VDD/2
Desenhando MOSFETs com mesmo L
Para obtermos
Num MOSFET de canal longo
=>
![Page 80: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/80.jpg)
Características de chaveamento
80
Utilizando o modelo digital que havíamos criado na última aula
ATENÇÃO! O desenho mostra as duas chaves abertas, mas isto não é possível de acontecer!
Vamos examinar as capacitâncias e resistências parasíticas do inversor
![Page 81: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/81.jpg)
Características de chaveamento
81
Vamos examinar as capacitâncias e resistências parasíticas do inversor
Tempos de atraso
Se o inversor estiver conectado a uma carga capacitiva:
![Page 82: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/82.jpg)
Exemplo
82
A simulação não dá exatamente o mesmo resultado!(~20ps)
Fazer com que Rp = Rn faz com que a capacitância de entrada aumente!
![Page 83: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/83.jpg)
Exemplo
83
Simulação
![Page 84: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/84.jpg)
Ring oscillator
84
Vimos que existe um atraso na propagação de sinal em uma porta inversora.
O que acontece se ligarmos um número impar de portas inversoras em sequência e alimentarmos a saída da última na entrada da primeira?
Frequência de oscilação
Onde n é o número impar de inversoras.
Cada inversor chaveia duas vezes durante um período de oscilação. Tempo de chaveamento de um inversor = tPHL + tPLH
![Page 85: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/85.jpg)
Ring oscillator
85
Qual a capacitância total de inversores idênticos acoplados?
![Page 86: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/86.jpg)
Ring oscillator
86
Qual a capacitância total de inversores idênticos acoplados?
Com:
Desta maneira:
f=1
n .0,7 . (Rn+Rp ) .C tot
![Page 87: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/87.jpg)
Inversor
87
Dissipação de potência dinâmica
Aplicando um pulso quadrado de período T e frequência fclk na entrada, a corrente média que o inversor tem que puxar da fonte VDD é
A potência total é
![Page 88: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/88.jpg)
Exemplo
88
![Page 89: Sala 5017 E fermassa@lee.uerj Rev VF.pdf · Substrato e poço Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si. Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042011/5e723011eed2bb52cc4fcf1f/html5/thumbnails/89.jpg)
Exemplo
89
Simulação
f ~1.25 GHz Pavg = 19.6W (apenas 1 inversor) PDP = 431x10-18 J
Processo de 50nm