© Digital Integrated Circuits 2nd (J. Rabaey et al) Dispositivos Díodo Quase sempre ocorrem como...
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DíodoDíodo
n
p
p
n
B A SiO2Al
A
B
Al
A
B
símbolo
Quase sempre ocorrem como elementos parasitas em CIs digitais
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Região de deplecçãoRegião de deplecçãohole diffusion
electron diffusion
p n
hole driftelectron drift
ChargeDensity
Distancex+
-
ElectricalxField
x
PotentialV
W2-W1
(a) Current flow.
(b) Charge density.
(c) Electric field.
(d) Electrostaticpotential.
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Corrente de um díodoCorrente de um díodo
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Díodo contra-polarizadoDíodo contra-polarizado
x
pn0
np0
-W1 W20n-regionp-region
diffusion
Modo dominante de operação
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Modelos para análise manualModelos para análise manual
VD
ID = IS(eVD/T – 1)+
–
VD
+
–
+
–VDon
ID
(a) Ideal diode model (b) First-order diode model
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Capacidade de junçãoCapacidade de junção
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Capacidade de difusãoCapacidade de difusão
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Modelo de díodoModelo de díodo
ID
RS
CD
+
-
VD
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Parâmetros SPICEParâmetros SPICE
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Transístor MOSTransístor MOS
Polysilicon Aluminum
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Conceito de Tensão de limiarConceito de Tensão de limiar
n+n+
p-substrate
DSG
B
VGS
+
-
Depletion
Region
n-channel
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A tensão de limiarA tensão de limiar
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Efeito de corpoEfeito de corpo
-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 00.4
0.45
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
VBS
(V)
VT (
V)
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Característica de um transístorCaracterística de um transístor“tradicional”“tradicional”
QuadraticRelationship
0 0.5 1 1.5 2 2.50
1
2
3
4
5
6x 10
-4
VDS (V)
I D (
A)
VGS= 2.5 V
VGS= 2.0 V
VGS= 1.5 V
VGS= 1.0 V
Resistive Saturation
VDS = VGS - VT
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Zona linear de funcionamentoZona linear de funcionamento
n+n+
p-substrate
D
SG
B
VGS
xL
V(x) +–
VDS
ID
MOS transistor and its bias conditions
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Transístor em saturaçãoTransístor em saturação
n+n+
S
G
VGS
D
VDS > VGS - VT
VGS - VT+-
Pinch-off
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Relação tensão-correnteRelação tensão-corrente(canal longo)(canal longo)
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Modelo para análise manualModelo para análise manual
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Relação tensão-correnteRelação tensão-correnteDispositivos DSMDispositivos DSM
LinearRelationship
-4
VDS (V)0 0.5 1 1.5 2 2.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5x 10
I D (
A)
VGS= 2.5 V
VGS= 2.0 V
VGS= 1.5 V
VGS= 1.0 V
Early Saturation
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Saturação de velocidadeSaturação de velocidade
(V/µm)c = 1.5
n
(m/s
)
sat = 105
Constant mobility (slope = µ)
Constant velocity
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ComparaçãoComparação
IDCanal longo
Canal curto
VDSVDSAT VGS - VT
VGS = VDD
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IIDD versus V versus VGSGS
0 0.5 1 1.5 2 2.50
1
2
3
4
5
6x 10
-4
VGS (V)
I D (
A)
0 0.5 1 1.5 2 2.50
0.5
1
1.5
2
2.5x 10
-4
VGS (V)
I D (
A)
quadratic
quadratic
linear
Canal longo Canal curto
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IIDD versus V versus VDSDS
-4
VDS (V)0 0.5 1 1.5 2 2.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5x 10
I D (
A)
VGS= 2.5 V
VGS= 2.0 V
VGS= 1.5 V
VGS= 1.0 V
0 0.5 1 1.5 2 2.50
1
2
3
4
5
6x 10
-4
VDS (V)
I D (
A)
VGS= 2.5 V
VGS= 2.0 V
VGS= 1.5 V
VGS= 1.0 V
ResistiveSaturation
VDS = VGS - VT
Canal longo Canal curto
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Modelo unificado para análise manualModelo unificado para análise manual
S D
G
B
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Modelo simples versus SPICE Modelo simples versus SPICE
0 0.5 1 1.5 2 2.50
0.5
1
1.5
2
2.5x 10
-4
VDS
(V)
I D (
A)
VelocitySaturated
Linear
Saturated
VDSAT=VGT
VDS=VDSAT
VDS=VGT
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Transistor PMOSTransistor PMOS
-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0x 10
-4
VDS (V)
I D (
A)
Todas as variáveis sãonegativas
VGS = -1.0V
VGS = -1.5V
VGS = -2.0V
VGS = -2.5V
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Modelo de transístor para análise Modelo de transístor para análise manualmanual
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O transistor como um interruptorO transistor como um interruptor
VGS VT
RonS D
ID
VDS
VGS = VD D
VDD/2 VDD
R0
Rmid
ID
VDS
VGS = VD D
VDD/2 VDD
R0
Rmid
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Transístor como interruptorTransístor como interruptor
0.5 1 1.5 2 2.50
1
2
3
4
5
6
7x 10
5
VDD
(V)
Req
(O
hm)
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Transístor como interruptorTransístor como interruptor
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Comportamento dinâmico do transístorComportamento dinâmico do transístor
DS
G
B
CGDCGS
CSB CDBCGB
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Capacidade da porta (gate)Capacidade da porta (gate)
tox
n+ n+
Vista de corte
L
Òxido de silício
xd xd
L d
Porta de plosilício
Vista de cima
Gate-bulkoverlap
Fonte
n+
Dreno
n+W
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Capacidade da porta – regimes de Capacidade da porta – regimes de operaçãooperação
S D
G
CGC
S D
G
CGC
S D
G
CGC
Cut-off Resistive Saturation
Regiões mais importantes para circuitos digitais: saturação e corte
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Capacidade da portaCapacidade da porta
WLCox
WLCox
2
2WLCox
3
CGC
CGCS
VDS /(VGS-VT)
CGCD
0 1
CGC
CGCS = CGCDCGC B
WLCox
WLCox
2
VGS
Capacidade em função de VGS(com VDS = 0)
Capacidade em função do grau de saturação
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Capacidade de difusãoCapacidade de difusão
fundo
Parede lateral
parede lateral
Canal
FonteND
Channel-stop
Substrato
W
xj
LS
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Capacidade de junçãoCapacidade de junção
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Linearização da capacidade de junçãoLinearização da capacidade de junção
Substituir uma capacidade NÃO-LINEARpor uma capacidade equivalente LINEARque desloque a mesma quantidade de cargapara a variação de tensão de interesse
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Capacidades de um processo Capacidades de um processo CMOS 0.25 CMOS 0.25 mm
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O transístor sub-micrométricoO transístor sub-micrométrico
Variação de tensão de limiar Condução "sub-limiar" Resitências parasitas
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Variação da tensão de limiarVariação da tensão de limiar
VT
L
limiar para canal longo limiar para VDS baixo
Limiar como função docomprimento (para VDS baixo)
Abaixamento de barreira induzida pelo dreno (para pequeno L)
VDS
VT
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Condução "sub-limiar"Condução "sub-limiar"
0 0.5 1 1.5 2 2.510
-12
10-10
10-8
10-6
10-4
10-2
VGS (V)
I D (
A)
VT
Linear
Exponencial
Quadrática
Valores típicos para S:60 .. 100 mV/década
O declive inverso S
ox
DnkT
qV
D C
CneII
GS
1 ,~ 0
S é VGS para ID2/ID1 =10
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Corrente sub-limiar Corrente sub-limiar IIDD vs vs VVGSGS
VDS de 0 a 0.5V
kT
qV
nkT
qV
D
DSGS
eeII 10
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Corrente sub-limiar Corrente sub-limiar IIDD vs vs VVDSDS
DSkT
qV
nkT
qV
D VeeIIDSGS
110
VGS de 0 to 0.3V
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Regiões de operação do MOSFETRegiões de operação do MOSFET
Inversão forte VGS > VT
Linear (resistiva) VDS < VDSAT
Saturado (corrente constante) VDS VDSAT
Inversão fraca (sub-limiar) VGS VT
Exponencial em VGS e dependência linear com VDS
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Resistências parasitasResistências parasitas
W
LD
Drain
Draincontact
Polysilicon gate
DS
G
RS RD
VGS,eff