1

Microeletrônica

Germano Maioli Penello

http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Microeletronica%20_%202015-1.html

Sala 5145 (sala 17 do laboratorio de engenharia elétrica)

2

Pauta (14/04/2015)

Isadora

Thiago Nascimento Oliveira

201110066811VINICIUS DE OLIVEIRA ALVES DA SILVA

201020582111PEDRO DA COSTA DI MARCO

200820515511LEONARDO SOARES FARIA

200710030011LAIS DA PAIXAO PINTO

201010067611JEFERSON DA SILVA PESSOA

201210076411HUGO LEONARDO RIOS DE ALMEIDA

200810343411DAVID XIMENES FURTADO

201110063911ALLAN DANILO DE LIMA

201110256011ÁQUILA ROSA FIGUEIREDO

3

DiodoAs características DC de um diodo são dadas pela equação de Shockley do diodo

http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/iv/index.html

4

DiodoAs características DC de um diodo são dadas pela equação de Shockley do diodo

ID – corrente no diodoIS – Corrente de saturaçãoVd – Tensão no diodoVT – Tensão térmica (~25meV @ 300K)n – coeficiente de emissão (relaciando com o perfil de dopagem)

5

Metal – semicondutor - isolante

http://php.scripts.psu.edu/users/i/r/irh1/SWF/Semiconductors.swf

Estrutura da bandas

6

Semicondutor

Pontos importantes:

Aumentar o número de buracos ou elétrons aumenta a condutividade do material

Mobilidade (facilidade de se mover no cristal) do elétron é maior do que a do buraco

PONTO IMPORTANTE!

As mobilidades do buraco e do elétron são diferentes, isto afeta o tamanho dos MOSFETs. NMOS são menores que PMOS para que eles tenham a mesmacapacidade de corrente, Ids.

7

Tempo de vida do portador

Quando a temperatura aumenta, o semicondutor absorve calor. Elétrons nabanda de valência ganham energia para serem ecitados pra banda de condução.

Note a importância de Eg no semicondutor!

Esta excitação de elétrons da banda de valência para a banda de condução échamada de geração.

Quando o elétron volta da banda de condução para a banda de valência, isto échamado de recombinação.

O tempo que o elétron passa na banda de condução antes de recombinar (voltarpara a banda de valência) é aleatório. Ele é caracterizado pelo tempo de vida do portador tT. (valor rms do tempo que o elétron passa na banda de condução)

8

Concentração de portadores

O tempo de vida do portador é um parâmetro muito importante no projeto de circuitos integrados.

Outro parâmetro importante é o número de elétrons na banda de condução oude buracos na banda de valêncai (chamada de concentração de portadores).

À temperatura ambiente (~300K), o número de portadores intrínsecos no Si é de

ni = 14.5 x 109 cm-3

Unidade em número de portadores por volume.

(ni - portadores intrínsecos)

Nesta situação, qual o número de elétrons livres (elétrons excitados na banda de condução)? Qual o número de buracos?

9

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

10

Dopagem

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)

Se doparmos o semicondutor com um número muito maior do que o número de portadores intrínsecos, podemos fazer a seguinte aproximação.No caso de dopagem com excesso de elétrons, o número de elétrons livres, n, no material é

Semicondutor dopado do tipo-n

Por que NSi >> ND?

11

DopagemA dopagem aumenta a condutividade porque agora há mais portadoresdisponíveis 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 égovernada pela Lei de ação das massa

12

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.

13

Energia de Fermi

A diferença de energia entre Ei e Ef é dada por

Percebemos com estas equações que a dopagem controla o nível de Fermi!

14

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)

15

Junção pn (diodo)

Para que exista o fluxo de corrente em um diodo, devemos aplicar umatensão que se aproxima de Vbi.

http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/biasedPN/index.html

Aplicativo:

Analise qual é o ladope qual é o lado n dajunção.

16

Capacitância parasítica

Uma região de cargas fixas positivas e cargas fixas negativas pode ser analisadacomo placas de um capacitor! Essa capacitância parasítica é chamada de capacitância de depleção ou de junção.

17

Capacitância parasíticaA capacitância de depleção podese ser modelado pela equação

Cj0 – capacitância sem tensão aplicada na junçãoVD – Tensão no diodom – coeficiende de gradação (grading coefficient)Vbi – potencial intrínseco

18

Exemplo

19

Exemplo

Aqui apresentamos o resultado dacapacitância apenas napolarização reversa (VD negativo).

Quando o diodo é polarizadodiretamente, os portadoresminoritários formam umacapacitância de difusão muitomaior que a de depleção! Veremos isso na próxima aula…

20

Trabalho para a semana depois do feriado

Projete um resistor de 250 kΩ usando um poço-n num padrão de serpentina. O comprimento máximo de cada segmento é de 100 e a resistência de folha é de 2 kΩ/sq. Confira as regras de design do resistor! Se o fator de escala for de 50 nm, estime o tamanho do resistor fabricado.

http://www.staticfreesoft.com/index.html

Programa gratuito para criar leiautes e esquemáticos. Simula o leiaute emconjunto com o SPICE.

Façam este exercício seguindo as regrasde design do programa! Me apresentemos resultados na aula depois do feriado. Farei perguntas sobre o software e sobreas regras de design do programa. Utilizem a tecnologia MOCMOS quesegue a regra de design do MOSIS.

21

Electric VLSI Design System

22

Electric VLSI Design System

Software open-source para design de circuitos, leiautes e mais…

http://www.staticfreesoft.com/electric.html

Computer aided design – uso de computador para auxiliar a criação, modificação análise e optimização de um projeto

23

Electric VLSI Design System

Software open-source para design de circuitos, leiautes e mais…

http://www.staticfreesoft.com/electric.html

Computer aided design – uso de computador para auxiliar a criação, modificação análise e optimização de um projeto

Pode ser usado em conjunto com o LTSpice

http://www.linear.com/designtools/software/