DISPOZITIVE ELECTRONICE ȘI CIRCUITE Notiţe de curs Cursul nr. 11 Conf. Dr. Ing. Gheorghe PANĂ gheorghe.pana@unitbv.ro

Probleme tratate Tranzistorul cu efect de câmp metal-oxid-semiconductor (TECMOS) Istoric Structură și funcționare Caracteristica iD(vDS) DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS - istoric 1926: Julius Lilienfeld are ideea de a comnada curentul printr-un dispozitiv cu ajutorul tensiunii aplicate pe un electrod de comandă (numit poartă); 1960: D. Kahng și John M. Atalla anunță fabricarea primului TECMOS; 1962 se fabrică primul circuit integrat (CI) conținând 16 TECMOS; DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS - istoric 1963: Frank Wanlass și C. T. Sah introduc conceptul de CMOS (MOS complementar alcătuit din NMOS – MOS cu canal n și PMOS - MOS cu canal p); 1971: Marcian Ted Hoff și echipa alcătuită din Stan Mazor, Hal Feeney, Masatoshi Shima, Federico Faggin produc primul microprocesor pe 4 biți INTEL 4004. Unitatea centrală de procesare conținea aproximativ 2300 tranzistoare MOS; DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS - istoric În prezent, fabricarea CI digitale se bazează pe tehnologia MOS și în special pe tehnologia CMOS. DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

Transistors (Million) TECMOS - istoric Evoluția microprocesoarelor Year Product Process type Line width (nm) Transistors (Million) 1971 4004 PMOS 10000 0.0023 1972 8008 0.0035 1974 8080 NMOS 6000 0.006 1976 8085 3000 0.0065 1978 8086 0.029 1979 8088 1982 80286 CMOS 1500 0.134 1985 80386DX 0.275 1989 80486DX 1000 1.2 DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

Transistors (million) TECMOS - istoric Evoluția microprocesoarelor - continuare Year Product Process type Line width (nm) Transistors (million) 1992 80486DX2 BiCMOS 800 1.2 1993 Pentium 3.1 1994 80486DX4 600 1.6 1995 Pentium Pro 350 5.5 1997 Pentium II CMOS 7.5 1998 Celeron 250 19 1999 Pentium III 180 28 2000 Pentium 4 42 2001 130 55 DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

Transistors (million) TECMOS - istoric Evoluția microprocesoarelor - continuare Year Product Process type Line width (nm) Transistors (million) 2001 Itanium CMOS 180 25 2002 Itanium II 130 220 2003 Pentium 4 90 125 2005 65 169 2006 Core 2 291 2007 Core 2 (Penryn) 45 410 DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

Transistors (million) TECMOS - istoric Evoluția microprocesoarelor - continuare Year Product Process type Line width (nm) Transistors (million) 2008 Core i7 CMOS Bloomfield-45 Bloomfield-731 2009 Core i5 Lynnfield-45 Clarkdale-32 Sandy Bridge-32 Ivy Bridge-22 Lynnfield-774 Clarkdale-382 Sandy Bridge-504-1160 Ivy Bridge-1400 2010 Core i3 Ivy bridge-22 Sandy Bridge-624 DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS - istoric Bloomfield este numele de cod pentru procesoare Intel de desktop (Core i7-9xx) și de servere single-procesor (Xeon 35xx); Lynnfield este numele de cod pentru un procesor quad-core de la Intel, lansat în septembrie 2009; Clarkdale este numele de cod pentru un procesor Intel multi- chip (core de calcul şi core grafic); Sandy Bridge este numele de cod pentru o microarhitectura dezvoltată de Intel începând cu 2005, pentru unități centrale de procesare din calculatoare şi pentru a înlocui microarhitectura Nehalem; Ivy Bridge este numele de cod pentru o linie de procesoare bazate pe procesul de fabricație pe 22nm dezvoltat de Intel. DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS – introducere TECMOS face parte din familia dispozitivelor cu 3 terminale la care tensiunea dintre 2 terminale controlează curentul prin cel de al 3-lea terminal se poate folosi ca o sursă de curent controlată; constituie elementul de bază dintr-un amplificator; este elementul de bază în realizarea unui inversor logic (limitele extreme ale semnalului de comandă determină variaţia curentului prin cel de al 3-lea terminal între zero şi o valoare mare, permiţând dispozitivului să acţioneze ca un comutator); poate realiza numeroase funcţii analogice şi digitale. DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS – introducere Comparație cu TB Se pot implementa: TEC-MOS ocupă arie mai mică; procesul de fabricaţie al TEC-MOS este mai simplu; funcţionarea TEC-MOS necesită mai puţină energie electrică de alimentare. Se pot implementa: circuite VLSI (Very Large Scale Integrated) ca memorii şi microprocesoare; circuite analogice ca amplificatoare şi filtre; circuite analogice şi digitale pe acelaşi cip (circuite mixte). DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS – introducere Complexitatea circuitelor integrate se exprimă cu ajutorul noţiunii de grad de integrare: SSI – Small-Scale Integration, integrare pe scară mică – zeci de tranzistoare pe cip; MSI – Medium-Scale Integration, integrare pe scară medie – sute de tranzistoare pe cip (la începutul anilor 1960); LSI - Large-Scale Integration, integrare pe scară largă – zeci de mii de tranzistoare pe cip (mijlocul anilor 1970); VLSI – Very-Large-Scale Integration, integrare pe scară foarte mare – sute de mii de tranzistoare pe cip la momentul startului VLSI – anii 1980, până la mai multe miliarde de tranzistoare pe cip – în prezent. DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS – introducere Alţi termeni utilizaţi pentru circuite integrate (CI) VLSI: ULSI, WSI, SOC, 3D-IC ULSI – Ultra-Large-Scale Integration, denumire propusă pentru CI care au mai mult de 1 milion de tranzistoare; WSI - Wafer-Scale Integration, circuit VLSI realizat pe un întreg wafer; SOC -  System-on-a-Chip este un CI în care toate componentele necesare pentru un calculator sau alt sistem sunt incluse pe un singur cip; 3D-IC - Three-Dimensional Integrated Circuit este un CI care are două sau mai multe straturi de componente electronice active, conectate atât pe verticală cât și pe orizontală într-un singur circuit. DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS – introducere Conform Legii lui Moore, potrivit căreia numărul tranzistoarelor dintr-un CI se dublează la aproximativ fiecare 2 ani şi apropierii de dimensiunile atomice, prin micşorarea distanţelor, creşterea gradului de integrare la un moment dat se va opri. DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare TEC-MOS sunt de 2 tipuri: TEC-MOS cu canal indus sau cu îmbogăţire (enhancement type MOSFET) şi TEC-MOS cu canal iniţial sau cu sărărcire (depletion type MOSFET) Deosebirea majoră constă în modul de formare a canalului conductor: La TEC-MOS cu îmbogăţire, canalul apare numai la polarizarea electrodului de comandă; La TEC-MOS cu sărăcire există canal şi în absenţa tensiunii de polarizare a electrodului de comandă. DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Structura Notare prescurtată a terminalelor: S=sursa (Source) D=drena (Drain) G=poarta (Gate) B=substratul (Body) DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Stratul de bioxid de siliciu are o grosime tipică tox=2-50nm; Poarta este izolată de canal, astfel încât curentul de poartă este foarte mic, de ordinul 10-15 A (femto amper); L=lungimea canalului; W=lăţimea canalului; Tipic L este cuprins între 0,1m şi 3m (în scădere – vezi tehnologiile de 90nm, 65nm, 45nm, 32nm, 22nm) iar W între 0,2m şi 100m. DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Funcţionarea la tensiune de poartă zero In lipsa tensiunii de polarizare de pe poartă, între D şi S se află 2 diode conectate în opoziţie, ceea ce împiedică circulaţia curentului de la D la S, indiferent de valoarea tensiunii VDS aplicate. Calea dintre D şi S are rezistenţa foarte mare, de ordinul 1012Ω. DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Crearea canalului conductor – se aplică o tensiune pozitivă pe poartă (la n-MOS): DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Crearea canalului conductor Tensiunea pozitivă de pe poartă determină respingerea golurilor din substratul de sub poartă. Golurile părăsind substratul şi migrând mai jos lasă în urmă o regiune golită de purtatori de sarcină. Tensiunea pozitivă atrage în zona în care va apare canalul electronii din regiunile n+ de sursă şi drenă, unde se află în număr mare. DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Crearea canalului conductor Când în vecinătatea suprafeţei substratului de sub poartă se atrage un număr suficient de mare de electroni, se creează o regiune n (un canal) care uneşte regiunea de sursă cu cea de drenă. Dacă se aplică o tensiune între drenă şi sursă, electronii mobili pot susţine un curent prin canal. DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Crearea canalului conductor Valoarea tensiunii VGS, la care se acumulează un număr suficient de mare de electroni pentru a se forma un canal, se numeşte tensiune de prag, VP. La n-MOS, tensiunea VP este pozitivă iar la p-MOS tensiunea Vp este negativă. Valoarea tensiunii de prag se controlează (se stabileşte) în timpul procesului de fabricaţie şi se află în domeniul 0,5V şi 1V. DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Poarta şi canalul se comportă ca un condensator plan-paralel, oxidul având rol de dielectric. Tensiunea pozitivă (la n-MOS) aplicată pe poartă determină acumularea de sarcini electrice pozitive pe armătura superioară (electrodul de poartă). DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Sarcina corespondentă de pe armătura inferioară este alcătuită din electronii din canalul indus. In felul acesta se dezvoltă un câmp electric transversal (în direcţie verticală) care controlează cantitatea de sarcină din canal, determinând conductivitatea canalului şi dacă se aplică o tensiune VDS, prin canal va circula un curent. DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Funcţionarea la VDS mic VDS mic ≅ 50mV DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Functionarea la VDS mic Mărimea curentului ID depinde de densitatea de electroni din canal care, la rândul ei, depinde de mărimea tensiunii VGS. La VGS=VP canalul abia începe să se formeze şi curentul prin el este foarte mic. Când VGS depăşeşte valoarea VP, tot mai mulţi electroni sunt atraşi în canal şi creşte adâncimea canalului. Creşte astfel conductanţa canalului şi scade rezistenţa lui. DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Funcţionarea la VDS mic Conductanţa canalului este proporţională cu tensiunea de poartă în exces (VGS-VP). Rezultă că ID va fi proporţional cu (VGS-VP) şi, de asemenea, cu tensiunea VDS care determină curgerea curentului ID. DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Funcţionarea la VDS mic – caracteristica iD(vDS) pune în evidenţă o dependenţă i-v liniară: DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Funcţionare pentru vDS crescător Se lasă vGS la o valoare constantă şi mai mare decât VP DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Funcţionare pentru vDS crescător Tensiunea dintre poartă şi canal scade de la vGS din dreptul sursei la (vGS-vDS) din dreptul drenei. Adâncimea canalului depinde de această tensiune. În consecinţă, adâncimea canalului este mai mare la sursă şi mai mică la drenă. Pe măsură ce vDS creşte, canalul devine tot mai îngust în dreptul drenei şi creşte rezistenţa sa. Acest lucru determină curbarea caracteristicii iD(vDS). DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Funcţionare pentru vDS crescător DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Funcţionare pentru vDS crescător Regiunea caracteristicii în care vDS<vDSsat se numeşte regiunea de triodă, datorită asemănării funcţionării MOS-ului cu cea a tubului cu vid numit triodă; Dispozitivul funcţionează în regiunea de saturaţie pentru vDS≥vDSsat; Pentru fiecare valoare vGS≥VP corespunde o valoare vDSsat. DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Relaţia iD=f(vDS) Se presupune că vGS>VP; Se consideră modul de lucru din regiunea de triodă pentru care canalul este continuu şi vDS<(vGS-VP). Cox reprezintă capacitatea pe unitate de arie a condensatorului format din armăturile poartă și canal, având ca dielectric stratul de oxid, cu grosimea tox: unde εox reprezinta permitivitatea bioxidului de siliciu (εox=3.9 ε0=3.9x8.854x10-12F/m=3.45x10-11F/m) Obs. La condensatorul plan: DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Se consideră o fâşie infinitezimală (foarte îngustă) din poartă (dx), la distanta x de la sursă: DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Sarcina dq din fâşia infinitezimală în punctul x este: Tensiunea vDS produce un câmp electric de-a lungul canalului în direcţia negativă a lui x: DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Câmpul electric E(x) determină sarcina dq să se deplaseze prin canal cu viteza dx/dt: unde n reprezintă mobilitatea electronilor din canal (numită mobilitate de suprafaţă), măsurată în m2/(Vs); n este un parametru fizic a cărui valoare depinde de procesul de fabricaţie. DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Curentul de deplasare care rezultă este DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Cu toate că evaluarea s-a făcut într-un punct din canal, curentul i trebuie sa fie constant de-a lungul canalului şi egal cu iD: DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Relaţia poate fi rearanjată Integrând ambii termeni ai ecuaţiei de la x=0 la x=L, respectiv de la v(0)=0 la v(L)=vDS, rezultă: de unde: DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare In zona de saturaţie se înlocuieşte vDS=(vGS-VP) şi rezultă: şi se observă că iD nu depinde de vDS de unde provine atributul de ”saturație” DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Constanta nCox este determinată de procesul tehnologic de fabricaţie a TEC-MOS. Se cunoaşte sub denumirea de parametru transconductanţă de proces deoarece determină valoarea transconductanţei TEC-MOS. Se notează cu k’n şi se exprimă în A/V2: DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Relaţia curentului în cele 2 regiuni în funcţie de transconductanţa de proces se scrie: în regiunea de triodă: în regiunea de saturaţie: DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare În cataloagele de TEC-MOS se întâlneşte parametrul Kn, numit parametru de conducţie (A/V2) şi notat: Cu această notaţie, curentul din regiunea de saturaţie se scrie: DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Relaţiile curentului de drenă arată dependenţa acestuia de raportul dintre lăţimea W şi lungimea L ale canalului, cunoscut ca raportul de aspect al TEC-MOS. Valorile W şi L se pot modifica de către proiectant cu scopul de a obţine caracteristica iD(vDS) dorită. DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Pentru un proces de fabricaţie dat se poate defini o lungime minimă de canal, Lmin care reprezintă astfel o caracteristică a procesului de fabricaţie: 2000 – 180nm 2001 – 130nm 2003 – 90nm 2005 – 65nm 2007 – 45nm 2009 – 32nm 2011 – 22nm DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare TEC-MOS cu canal p TEC-MOS cu îmbogăţire şi canal p se fabrică pe un substrat de tip n cu regiuni p+ pentru drenă şi sursă şi are ca purtători de sarcină golurile. Dispozitivul lucrează la fel ca cel cu canal n, cu deosebirea că tensiunile vGS, vDS şi VP sunt negative. Sensul convenţional al curentului este de la sursă spre drenă. DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare MOS complementar (CMOS) Tehnologia utilizează ambele tipuri de tranzistoare MOS: nMOS şi pMOS. Circuitele CMOS sunt mai greu de realizat decât cele nMOS. Tehnologia CMOS se foloseşte la realizarea atât a circuitelor analogice cât şi a celor digitale. Multe aplicaţii care anterior se implementau cu tranzistoare bipolare, după anul 2000 s-au putut implementa cu CMOS. DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare MOS complementar (CMOS) DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Structură şi funcţionare Funcţionarea TEC-MOS în regiunea de subprag Descrierea funcţionării nMOS de până acum implică lipsa circulaţiei curentului pentru vGS<VP, dispozitivul considerându-se blocat. Situaţia nu este intrutotul adevărată, deoarece s-a constatat că pentru valori ale vGS mai mici decât VP dar apropiate de VP, curge un mic curent de drenă. In această funcţionare subprag, curentul de drenă are o variaţie exponenţială în funcţie de vGS, asemănător cu dependenţa iC-vBE de la TB. DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Simbolul TEC-MOS din circuite: G-poarta (Gate) D-drena S-sursa B-substratul (Body) TECMOS Simbolul TEC-MOS din circuite: Simboluri utilizate în cazul în care substratul este conectat cu sursa. DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Caracteristica iD(vDS) Caracteristica se poate determina în c.c sau la frecvenţe joase şi de aceea se numeşte caracteristică statică. DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Caracteristica iD(vDS) Regiunile de funcționare: Regiunea de trioda în care vGS>VP iar vDS<vGS-VP (vDS mai mic decât vGS cel putin cu VP volţi) Dacă vDS este suficient de mic astfel încât se poate neglija termenul la pătrat, se obţine pentru caracteristica în vecinătatea originii: DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Caracteristica iD(vDS) Regiunile de funcționare: în vecinătatea originii, corespunde funcţionării TEC-MOS ca rezistenţa liniară rDS a carei valoare este controlată de vGS; Rezistenţa rDS se scrie: DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Caracteristica iD(vDS) Regiunile de funcţionare: Regiunea de saturaţie vGS≥VP şi vDS≥vGS-VP. nMOS cu îmbogăţire (canal indus) funcţionează în regiunea de saturaţie atunci când vGS este mai mare decât VP şi tensiunea de drenă nu scade sub valoarea celei de poartă cu mai mult de VP volţi. Hotarul dintre regiunea de triodă şi cea de saturaţie este pentru: DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Caracteristica iD(vDS) Regiunile de funcţionare: Pentru vDS=vGS-VP, rezultă Relaţia permite determinarea caracteristicii de transfer iD=f(vGS) DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Caracteristica de transfer Pentru nMOS cu canal indus: DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018

TECMOS Caracteristica de transfer Modelul echivalent de circuit la semnal mare, funcţionând în regiunea de saturaţie: DEC-I Cursul nr. 11 9/18/2018