O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2
-
Upload
regiane-ragi -
Category
Engineering
-
view
31 -
download
1
Transcript of O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2
![Page 1: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/1.jpg)
1
O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETS - 2
Regiane Ragi
SiO2 (óxido)
Dreno
Fonte Porta
Silício tipo-p
Canal de portadores
VG
y
z
xSilício tipo-n
![Page 2: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/2.jpg)
2
Efeito de corpo
![Page 3: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/3.jpg)
3
A camada de inversão de um MOSFET pode ser pensada como se fosse um filme resistivo tipo-n, de espessura da ordem de 1-2 nm, que conecta a fonte e o dreno, como mostra a figura abaixo.
GATE
Substrato-p
- - --N+ N+- - --Toxe
Vg
Vs
Vb
![Page 4: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/4.jpg)
4
Para a região do substrato, é usual usarmos o termo em
inglês, body, para designar esta vasta região volumétrica de semicondutor, frente à uma fina camada de elétrons, por exemplo, na camada de inversão.
GATE
Substrato-pCorpo ou body
- - --N+ N+- - --Toxe
Vg
Vs
Vb
![Page 5: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/5.jpg)
5
O filme resistivo tipo-n, no potencial Vs, forma um capacitor com o gate, onde o óxido é o dielétrico do capacitor.
GATE
Substrato-pCorpo ou body
- - --N+ N+- - --Toxe
Vg
Vs
Vb
![Page 6: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/6.jpg)
6
Também há a formação de um segundo capacitor, se considerarmos a camada de depleção.
GATE
Substrato-pCorpo ou body
- - --N+ N+- - --Toxe
Vg
Wdmax
Vs
Vb
![Page 7: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/7.jpg)
7
Então, podemos dizer que, a camada de inversão pode ser vista como um filme condutor, acoplado à Vg através da capacitância do óxido, e acoplado à Vb através da capacitância da camada de depleção.
![Page 8: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/8.jpg)
8
Em analogia com o capacitor de placas paralelas podemos escrever a capacitância na camada de depleção como
![Page 9: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/9.jpg)
9
Se fizermos Vb = Vs, isto é, se a tensão no contato da fonte for igual à tensão no contato do corpo ou body, sabemos a partir de aulas anteriores, que podemos escrever a carga na camada de inversão como GATE
Substrato-pCorpo ou body
- - --N+ N+- - --Toxe
Vg
Wdmax
Vs
Vb
![Page 10: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/10.jpg)
10
Podemos agora assumir que há também uma tensão entre a fonte ou source e o corpo ou body, e vamos denominá-la de Vsb.
GATE
Substrato-pCorpo ou body
- - --N+ N+- - --Toxe
Vg
Wdmax
Vs
Vb
![Page 11: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/11.jpg)
11
Desde que, o corpo (body) e o canal estão acoplados pela capacitância Cdep, a tensão Vsb induz uma carga na camada de inversão dada por
GATE
Substrato-pCorpo ou body
- - --N+ N+- - --Toxe
Vg
Wdmax
Vs
Vb
![Page 12: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/12.jpg)
12
Portanto, a camada de inversão deve levar em conta também esta carga, e então escrevemos
GATE
Substrato-pCorpo ou body
- - --N+ N+- - --Toxe
Vg
Wdmax
Vs
Vb
![Page 13: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/13.jpg)
13
Ou ainda
GATE
Substrato-pCorpo ou body
- - --N+ N+- - --Toxe
Vg
Wdmax
Vs
Vb
![Page 14: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/14.jpg)
14
Que pode ser modificada para uma forma mais simples, se adotarmos uma modificação na tensão de threshold, Vt.
GATE
Substrato-pCorpo ou body
- - --N+ N+- - --Toxe
Vg
Wdmax
Vs
Vb
![Page 15: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/15.jpg)
15
De modo que ...
![Page 16: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/16.jpg)
16
O que temos chamado até agora de Vt, passa a ser chamado de agora em adiante, de Vt0. Assim,
GATE
Substrato-pCorpo ou body
- - --N+ N+- - --Toxe
Vg
Wdmax
Vs
Vb
![Page 17: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/17.jpg)
17
O que temos chamado até agora de Vt, passa a ser chamado de agora em adiante, de Vt0. Assim,
GATE
Substrato-pCorpo ou body
- - --N+ N+- - --Toxe
Vg
Wdmax
Vs
Vb
E chamaremos
com
![Page 18: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/18.jpg)
18
Note que, o que fizemos foi apenas uma maneira de escrever a fórmula da carga de inversão de modo a lembrar a forma que a expressávamos inicialmente.
GATE
Substrato-pCorpo ou body
- - --N+ N+- - --Toxe
Vg
Wdmax
Vs
Vb
![Page 19: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/19.jpg)
19
Na expressão para o α, o fator 3 é a razão entre as constantes dielétricas relativas
i. do silício (11.9) e ii. do SiO2 (3.9).
![Page 20: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/20.jpg)
20https://people.eecs.berkeley.edu/~hu/Chenming-Hu_ch6.pdf, pagina 207
A figura 6-13c da Referência (1) ilustra a conclusão de que Vt é uma função aproximadamente linear de Vsb, a
tensão na junção corpo-fonte, ou do inglês body-source.
(1)
![Page 21: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/21.jpg)
21https://people.eecs.berkeley.edu/~hu/Chenming-Hu_ch6.pdf, pagina 207
(1)
Quando a junção fonte-corpo for inversamente
polarizada, a tensão Vt do NFET torna-se mais positiva e a do PFET
torna-se mais negativa.
Vt
A figura 6-13c da Referência (1) ilustra a conclusão de que Vt é uma função aproximadamente linear de Vsb, a
tensão na junção corpo-fonte, ou do inglês body-source.
![Page 22: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/22.jpg)
22https://people.eecs.berkeley.edu/~hu/Chenming-Hu_ch6.pdf, pagina 207
(1)
Normalmente, as junções fonte- substrato, nunca
estão polarizadas diretamente, de modo
que nunca ocorre corrente direta de díodo.
Vt
A figura 6-13c da Referência (1) ilustra a conclusão de que Vt é uma função aproximadamente linear de Vsb, a
tensão na junção corpo-fonte, ou do inglês body-source.
![Page 23: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/23.jpg)
23
O fato de que, a tensão de threshold, Vt, seja uma função da polarização do corpo, o substrato de silício, ou body em inglês, é chamado de efeito de corpo ou body effect.
![Page 24: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/24.jpg)
24
Quando vários NFETs ou PFETs estão ligados em série num circuito, eles compartilham um corpo em comum, o substrato de silício, mas seus terminais de fonte não têm a mesma tensão.
![Page 25: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/25.jpg)
25
Claramente algumas junções fonte-corpo dos transistores serão polarizadas reversamente.
![Page 26: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/26.jpg)
26
Isto aumenta a tensão de threshold, Vt, e reduz a corrente dreno-fonte Ids e a velocidade do circuito.
![Page 27: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/27.jpg)
27
Degradando assim, o desempenho do circuito.
![Page 28: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/28.jpg)
28
Circuitos, portanto, apresentam um melhor desempenho, quando Vt for o mais indiferente possível à VSB, isto é, em outras palavras, o efeito de corpo deve ser minimizado.
![Page 29: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/29.jpg)
29
Isto pode ser conseguido minimizando-se a razão
Tox / Wdmax.
![Page 30: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/30.jpg)
30
Por isso, uma camada de óxido fina é desejável.
Tox / Wdmax
![Page 31: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/31.jpg)
31
α na Eq. (6.4.6) pode ser extraída a partir da derivada da curva na Fig. 6-13c e é chamada de coeficiente de efeito de corpo.
https://people.eecs.berkeley.edu/~hu/Chenming-Hu_ch6.pdf, pagina 207
(1)
![Page 32: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/32.jpg)
32
Transistores modernos empregamsteep retrograde body
doping profiles ou perfis de dopagem de corpo retrógrado acentuados (levemente dopado em uma camada superficial fina e pesadamente dopado embaixo) ilustrado na Fig. 6-14.
https://people.eecs.berkeley.edu/~hu/Chenming-Hu_ch6.pdf, pagina 209
(1)
![Page 33: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/33.jpg)
33
Steep retrograde doping ou dopagem retrógrada acentuada permite ao transistor encolher para tamanhos menores para redução de custos e redução de espalhamento por impurezas.
![Page 34: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/34.jpg)
34
A espessura da camada de depleção é, basicamente, a espessura da região levemente dopada.
![Page 35: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/35.jpg)
35
Conforme a tensão de polarização no substrato, Vsb, aumenta, a camada de depleção não se altera significativamente.
![Page 36: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/36.jpg)
36
Portanto Cdep e α são basicamente constantes.
![Page 37: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/37.jpg)
37
Como resultado, os transistores modernos apresentam uma relação mais ou menos linear entre Vt e Vsb.
![Page 38: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/38.jpg)
38
Dizer que é uma relação linear, significa que
Wdmax e, portanto, a relação
C dep/Coxe
são independentes da polarização do body ou do corpo.
![Page 39: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/39.jpg)
39
Em gerações mais antigas de MOSFETs, a densidade de dopagem do corpo é mais ou menos uniforme (ver a curva inferior na Fig. 6-14) e Wdmax varia com Vsb.
https://people.eecs.berkeley.edu/~hu/Chenming-Hu_ch6.pdf, pagina 209(1)
![Page 40: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/40.jpg)
40
Nesse caso, a teoria para o efeito de corpo é mais complicada.
![Page 41: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/41.jpg)
41
Vt pode ser obtida substituindo-se o termo 2φB (o encurvamento de banda no corpo) na Eq. (5.4.3)
por 2φB + Vsb
![Page 42: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/42.jpg)
42
Onde γ é chamado de parâmetro de efeito de corpo.
![Page 43: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/43.jpg)
43
A equação (6.4.8) prevê que Vt seja uma função sublinear de Vsb.
![Page 44: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/44.jpg)
44
Uma pista dessa sublinearidade é observada nos dados da Fig. 6-13c.
https://people.eecs.berkeley.edu/~hu/Chenming-Hu_ch6.pdf, pagina 207(1)
![Page 45: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/45.jpg)
45
A equação (6.4.8)
é algumas vezes linearizada através expansão de Taylor de modo que Vt seja expressa como uma função linear de Vsb sob a forma de equação. (6.4.6).
![Page 46: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/46.jpg)
46
Carga de inversão Qinv no MOSFET
![Page 47: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/47.jpg)
47
Vamos considerar Fig. 6-15 da Ref. (1), com Vd > Vs.
https://people.eecs.berkeley.edu/~hu/Chenming-Hu_ch6.pdf, pagina 210(1)
![Page 48: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/48.jpg)
48
Neste caso, a tensão no canal, Vc, é agora uma função da posição x, onde
Vc = Vs em x = 0 e Vc = Vd em x = L
![Page 49: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/49.jpg)
49
Compare um ponto no meio do canal onde Vc > Vs com um ponto na extremidade do canal, na fonte S, onde
Vc = Vs
![Page 50: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/50.jpg)
50
Uma vez que a tensão no meio do canal é maior em Vc (x), há menos tensão no capacitor de óxido (e através do capacitor da camada de depleção).
![Page 51: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/51.jpg)
51
Portanto, haverá menos elétrons sobre o eletrodo do capacitor (a camada de inversão).
![Page 52: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/52.jpg)
52
Especificamente, o termo Vgs na equação
deve ser substituído por
Vgc (x) ou Vgs – Vcs (x) e Vsb por Vsb + Vcs (x).
![Page 53: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/53.jpg)
53
![Page 54: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/54.jpg)
54
m é tipicamente cerca de 1,2.
![Page 55: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/55.jpg)
55
Todavia, obviamente, é mais fácil e aceitável no início, considerar simplesmente m = 1.
![Page 56: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/56.jpg)
56
No entanto, incluindo m nas equações melhora significativamente seus resultados para futuras aplicações.
![Page 57: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/57.jpg)
57
O corpo é às vezes chamado de back gate ou de porta de trás, uma vez que tem claramente um efeito similar embora mais fraco sobre a carga do canal.
![Page 58: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/58.jpg)
58
O efeito de back-gate sobre a carga de inversão, Qinv,
é muitas vezes chamado de efeito bulk-carga, e m é
chamado de fator de bulk-carga.
![Page 59: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/59.jpg)
59
É evidente que o efeito de bulk-carga está intimamente ligado ao efeito corpo apresentado anteriormente.
![Page 60: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/60.jpg)
Referências
60
![Page 61: O modelo básico de corrente-tensão I-V dos MOSFETs - 2](https://reader036.fdocuments.ec/reader036/viewer/2022070515/587a90fe1a28ab58288b7053/html5/thumbnails/61.jpg)
61
http://www.eecs.berkeley.edu/~hu/Chenming-Hu_ch6.pdf