© digital integrated circuits 2nd (j. rabaey et al) dispositivos díodo quase sempre ocorrem como...

© Digital Integrated Circuits2nd (J. Rabaey et al) Dispositivos

DíodoDíodo

n

p

p

n

B A SiO2Al

A

B

Al

A

B

símbolo

Quase sempre ocorrem como elementos parasitas em CIs digitais


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.


Corrente de um díodoCorrente de um díodo


Díodo contra-polarizadoDíodo contra-polarizado

x

pn0

np0

-W1 W20n-regionp-region

diffusion

Modo dominante de operação


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


Capacidade de junçãoCapacidade de junção


Capacidade de difusãoCapacidade de difusão


Modelo de díodoModelo de díodo

ID

RS

CD

+

-

VD


Parâmetros SPICEParâmetros SPICE


Transístor MOSTransístor MOS

Polysilicon Aluminum


Conceito de Tensão de limiarConceito de Tensão de limiar

n+n+

p-substrate

DSG

B

VGS

+

-

Depletion

Region

n-channel


A tensão de limiarA tensão de limiar


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)


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


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


Transístor em saturaçãoTransístor em saturação

n+n+

S

G

VGS

D

VDS > VGS - VT

VGS - VT+-

Pinch-off


Relação tensão-correnteRelação tensão-corrente(canal longo)(canal longo)


Modelo para análise manualModelo para análise manual


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


Saturação de velocidadeSaturação de velocidade

(V/µm)c = 1.5

n

(m/s

)

sat = 105

Constant mobility (slope = µ)

Constant velocity


ComparaçãoComparação

IDCanal longo

Canal curto

VDSVDSAT VGS - VT

VGS = VDD


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


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


Modelo unificado para análise manualModelo unificado para análise manual

S D

G

B


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


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


Modelo de transístor para análise Modelo de transístor para análise manualmanual


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


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)


Transístor como interruptorTransístor como interruptor


Comportamento dinâmico do transístorComportamento dinâmico do transístor

DS

G

B

CGDCGS

CSB CDBCGB


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


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


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


Capacidade de difusãoCapacidade de difusão

fundo

Parede lateral

parede lateral

Canal

FonteND

Channel-stop

Substrato

W

xj

LS


Capacidade de junçãoCapacidade de junção


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


Capacidades de um processo Capacidades de um processo CMOS 0.25 CMOS 0.25 mm


O transístor sub-micrométricoO transístor sub-micrométrico

Variação de tensão de limiar Condução "sub-limiar" Resitências parasitas


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


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


Corrente sub-limiar Corrente sub-limiar IIDD vs vs VVGSGS

VDS de 0 a 0.5V

kT

qV

nkT

qV

D

DSGS

eeII 10


Corrente sub-limiar Corrente sub-limiar IIDD vs vs VVDSDS

DSkT

qV

nkT

qV

D VeeIIDSGS

110

VGS de 0 to 0.3V


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


Resistências parasitasResistências parasitas

W

LD

Drain

Draincontact

Polysilicon gate

DS

G

RS RD

VGS,eff

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