mosfet

MOSFET
Lucas Modesto da Costa
Instituto de Fı́sica - DFGE - USP
12 de dezembro de 2008
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Introdução
• Transistores
• Descoberta
• Tipos de Transistores
• MOSFET
Métodos de Produção
Como Funciona?
Resultados
Experimentais
Circuitos Integrados
Introdução
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Transistores
Introdução
• Transistores
• Descoberta
• Tipos de Transistores
• MOSFET
Métodos de Produção
Como Funciona?
Resultados
Experimentais
Circuitos Integrados
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Descoberta
Introdução
• Transistores
• Descoberta
• Tipos de Transistores
• MOSFET
Métodos de Produção
Como Funciona?
Resultados
Experimentais
• Princı́pio básico proposto na década de 30 por Lilienfeld e Heil;
• Bell Telephone em 1947 por Brattain e Bardeen;
• Propriedades de superfı́cie de germânio com contatos metálicos
Circuitos Integrados
•
•
•
retificadores;
Em Dezembro do mesmo ano, anunciam o transistor, porém as
primeiras versões eram bem frágeis;
W. Shockley em 1948 publica um trabalho teórico propondo o
transistor de junção;
Prêmio Nobel em 1956 para Shockley, Brattain e Bardeen.
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Tipos de Transistores
Introdução
• Transistores
• Descoberta
• Tipos de Transistores
• MOSFET
Métodos de Produção
Basicamente, os transistores estão divididos em:
1.
Como Funciona?
Resultados
Experimentais
Transistor bipolar de junção:
controle a partir da corrente de entrada
• pnp;
• npn;
Circuitos Integrados
2.
Transistor de efeito de campo:
controle a partir da tensão de entrada
• junção;
• metal-semicondutor;
• porta isolada.
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MOSFET
Introdução
• Transistores
• Descoberta
• Tipos de Transistores
• MOSFET
Métodos de Produção
O que significa essa palavra?
• MOS - Metal-Oxide-Semicondutor;
• FET - Field Effect Transistor.
Como Funciona?
Resultados
Experimentais
Circuitos Integrados
• Uso de terminais elétricos, sendo substituı́do por polisilı́cio.
• Terminal porta isolado do semicondutor por uma camada de um
•
•
óxido do próprio semicondutor (SiO2 ).
A tensão de entrada gera um campo num capacitor, formado
pelo contato metálico da porta e pelo semicondutor do canal,
separados por uma camada isolante.
Alta impedância de entrada.
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Introdução
Métodos de Produção
• Métodos de Produção
Como Funciona?
Resultados
Experimentais
Circuitos Integrados
Métodos de Produção
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Métodos de Produção
Introdução
Métodos de Produção
• Métodos de Produção
Como Funciona?
• Difusão convencional;
• Fotoresitência;
• Evaporação a vácuo.
Resultados
Experimentais
Circuitos Integrados
•
•
•
•
•
•
Fotolitografia;
Implantação iônica;
Corrosão;
Epitaxia;
Deposição;
Oxidação Térmica.
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Produção - Preparando o substrato
Introdução
Métodos de Produção
• Métodos de Produção
Como Funciona?
Resultados
Experimentais
Circuitos Integrados
Substrato p
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Produção - Adição do isolante
Introdução
Métodos de Produção
• Métodos de Produção
Como Funciona?
Óxido (SiO2)
Resultados
Experimentais
Circuitos Integrados
p
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Produção - Fotolitografia
Introdução
Métodos de Produção
• Métodos de Produção
Luz Ultravioleta
Como Funciona?
Resultados
Experimentais
Circuitos Integrados
Máscara
p
Resina
Fotoresistiva
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Produção - Difusão de impurezas
Introdução
Métodos de Produção
• Métodos de Produção
Como Funciona?
Resultados
Experimentais
Circuitos Integrados
n+
p
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Produção - Contatos metálicos
Introdução
Métodos de Produção
• Métodos de Produção
Fonte
Como Funciona?
Ponte
Dreno
SiO2
Resultados
Experimentais
n+
Circuitos Integrados
p
n+
Camada de
inversão
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Introdução
Métodos de Produção
Como Funciona?
• Para VP < 0 e
VF D = 0
• Para
0 < VP < VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D < VP − VC
• Para VP > VC e
VF D = VP − VC
• Para VP > VC e
VF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensão Crı́tica
• Esquema de ligação
• Condutividade do
Como Funciona?
elétron
• Condutividade do
elétron
• Tipos de MOSFET
Resultados
Experimentais
Circuitos Integrados
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Para VP < 0 e VF D = 0
Introdução
Métodos de Produção
Como Funciona?
• Para VP < 0 e
VF D = 0
• Para
0 < VP < VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D < VP − VC
• Para VP > VC e
VF D = VP − VC
• Para VP > VC e
VF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensão Crı́tica
• Esquema de ligação
• Condutividade do
F
n
P
+
D
n
+
p
Acumulação
elétron
• Condutividade do
elétron
• Tipos de MOSFET
Resultados
Experimentais
Circuitos Integrados
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Para 0 < VP < VC e VF D = 0
Introdução
Métodos de Produção
Como Funciona?
• Para VP < 0 e
VF D = 0
• Para
0 < VP < VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D < VP − VC
• Para VP > VC e
VF D = VP − VC
• Para VP > VC e
VF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensão Crı́tica
• Esquema de ligação
• Condutividade do
F
n
P
+
D
n
+
p
Depleção
elétron
• Condutividade do
elétron
• Tipos de MOSFET
Resultados
Experimentais
Circuitos Integrados
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Para VP > VC e VF D = 0
Introdução
Métodos de Produção
Como Funciona?
• Para VP < 0 e
VF D = 0
• Para
0 < VP < VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D < VP − VC
• Para VP > VC e
VF D = VP − VC
• Para VP > VC e
VF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensão Crı́tica
• Esquema de ligação
• Condutividade do
F
n
P
+
D
n
+
p
Inversão
elétron
• Condutividade do
elétron
• Tipos de MOSFET
Resultados
Experimentais
Circuitos Integrados
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Para VP > VC e VF D < VP − VC
Introdução
Métodos de Produção
Como Funciona?
• Para VP < 0 e
VF D = 0
• Para
0 < VP < VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D < VP − VC
• Para VP > VC e
VF D = VP − VC
• Para VP > VC e
VF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensão Crı́tica
• Esquema de ligação
• Condutividade do
elétron
• Condutividade do
elétron
• Tipos de MOSFET
Resultados
Experimentais
F
n
P
+
D
n
+
p
Região Trı́odo
·
¸
2
VF D
ǫox µW
(VP − VC ) VF D −
Id =
LTox
2
Circuitos Integrados
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Para VP > VC e VF D = VP − VC
Introdução
Métodos de Produção
Como Funciona?
• Para VP < 0 e
VF D = 0
• Para
0 < VP < VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D < VP − VC
• Para VP > VC e
VF D = VP − VC
• Para VP > VC e
VF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensão Crı́tica
• Esquema de ligação
• Condutividade do
elétron
• Condutividade do
elétron
P
F
n
+
D
n
+
p
Transição trı́odo - saturação
pinch-off (pinçamento)
• Tipos de MOSFET
Resultados
Experimentais
Circuitos Integrados
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Para VP > VC e VF D > VP − VC
Introdução
Métodos de Produção
Como Funciona?
• Para VP < 0 e
VF D = 0
• Para
0 < VP < VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D < VP − VC
• Para VP > VC e
VF D = VP − VC
• Para VP > VC e
VF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensão Crı́tica
• Esquema de ligação
• Condutividade do
elétron
• Condutividade do
elétron
• Tipos de MOSFET
Resultados
Experimentais
F
n
P
+
D
n
+
p
Região de Saturação
ǫox µW
(VP − VC )2
Id =
2LTox
Circuitos Integrados
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Capacitor
Introdução
Queda do Potencial:
Métodos de Produção
Como Funciona?
• Para VP < 0 e
VF D = 0
• Para
0 < VP < VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D < VP − VC
• Para VP > VC e
VF D = VP − VC
• Para VP > VC e
VF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensão Crı́tica
• Esquema de ligação
• Condutividade do
• no isolante (Vi );
• no semicondutor (Vs ).
V = Vi + Vs
Cargas no capacitor:
• na superfı́cie do metal (Qm );
• na superfı́cie do semicondutor (Qs ).
Q = −Qs = Qm > 0
elétron
• Condutividade do
elétron
• Tipos de MOSFET
Resultados
Experimentais
Circuitos Integrados
21 / 36
Capacitor
Introdução
Métodos de Produção
Como Funciona?
• Para VP < 0 e
VF D = 0
• Para
0 < VP < VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D < VP − VC
• Para VP > VC e
VF D = VP − VC
• Para VP > VC e
VF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensão Crı́tica
• Esquema de ligação
• Condutividade do
elétron
• Condutividade do
elétron
Q
,
Vi =
Ci
A
Ci = ǫi
d
Qs = −Q = −eNa LA
Comprimento da camada l
l=
µ
2ǫs Vs
eNa
¶1/2
Tensão em função de l
eNa 2
eNa d
l+
l
V =
ǫi
2ǫs
• Tipos de MOSFET
Resultados
Experimentais
Circuitos Integrados
Gerada a camada de depleção l. Quando V > Vc , teremos
crescimento da carga de inversão.
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Tensão Crı́tica
Introdução
Tensão Crı́tica no caso ideal:
Métodos de Produção
Qd
Vc =
+ 2φF
Ci
Como Funciona?
• Para VP < 0 e
VF D = 0
• Para
0 < VP < VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D < VP − VC
• Para VP > VC e
VF D = VP − VC
• Para VP > VC e
VF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensão Crı́tica
• Esquema de ligação
• Condutividade do
elétron
• Condutividade do
elétron
• Tipos de MOSFET
Resultados
Experimentais
Tensão Crı́tica no caso geral:
Vc =
Qd
Qo x
+ 2φF + φms −
Ci
Ci
• Função trabalho φ;
• Qd carga de depleção máxima;
• Para obter uma pequena tensão crı́tica, deve-se fazer a
capacitância Ci maior possı́vel.
Circuitos Integrados
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Esquema de ligação
Introdução
Métodos de Produção
Como Funciona?
• Para VP < 0 e
VF D = 0
• Para
0 < VP < VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D < VP − VC
• Para VP > VC e
VF D = VP − VC
• Para VP > VC e
VF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensão Crı́tica
• Esquema de ligação
• Condutividade do
elétron
• Condutividade do
elétron
ID RS
bbbbbbbbbbbb
aaaaaaaaaaaa
aaaaaaaaaaaa
bbbbbbbbbbbb
RD
ID
L’
bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb
a a a a a a a a a a a a a a a a a a
a a a a a a a a a a a a a a a a a
a a a a a a a a a a a a a a a a a a
a a a a a a a a a a a a a a a a a
a a a a a a a a a a a a a a a a a a
a a a a a a a a a a a a a a a a a
a a a a a a a a a a a a a a a a a a
a a a a a a a a a a a a a a a a a
Z
DZ
a a a a a a a a a a a a a a a a a a
a a a a a a a a a a a a a a a a a a
a a a a a a a a a a a a a a a a a a
a a a a a a a a a a a a a a a a a a
a a a a a a a a a a a a a a a a a a
a a a a a a a a a a a a a a a a a a
a a a a a a a a a a a a a a a a a a
a a a a a a a a a a a a a a a a a a
L
Z=0
Z=L
• Tipos de MOSFET
Resultados
Experimentais
Circuitos Integrados
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Condutividade do elétron
Introdução
VG − V (z)
Eox =
Tox
ǫox
[VG − V (z)]
σc (z) = ǫox Eox (z) =
Tox
Métodos de Produção
Como Funciona?
• Para VP < 0 e
VF D = 0
• Para
0 < VP < VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D < VP − VC
• Para VP > VC e
VF D = VP − VC
• Para VP > VC e
VF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensão Crı́tica
• Esquema de ligação
• Condutividade do
elétron
• Condutividade do
elétron
• Tipos de MOSFET
Resultados
Experimentais
Circuitos Integrados
Condição de corrente:
ǫox
{[VG − V (z)] − VP }, seVG − V (z) > VP
σm (z) =
Tox
σm (z) = 0,
seVG − V (z) ≤ VP
Condutância:
G(z) =
σm (z)µW
∆z
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Condutividade do elétron
Introdução
Pela Lei de Ohm:
Métodos de Produção
∆V
Id = G(z)∆V = σm (z)µW
∆z
Como Funciona?
• Para VP < 0 e
VF D = 0
• Para
0 < VP < VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D < VP − VC
• Para VP > VC e
VF D = VP − VC
• Para VP > VC e
VF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensão Crı́tica
• Esquema de ligação
• Condutividade do
elétron
• Condutividade do
elétron
• Tipos de MOSFET
Resultados
Experimentais
Integrando sobre a largura do canal:
Id
Z
0
L
ǫox µW
=
LTox
Z
VD′
[VG − V (z) − VP ]dV
VS ′
Finalmente:
¢¤
¡ 2
ǫox µW £
2
1
Id =
(VG − VP ) (VD′ − VS ′ ) − 2 VD′ − VS ′
LTox
Circuitos Integrados
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Tipos de MOSFET
Introdução
Métodos de Produção
Como Funciona?
• Para VP < 0 e
VF D = 0
• Para
0 < VP < VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D = 0
• Para VP > VC e
VF D < VP − VC
• Para VP > VC e
VF D = VP − VC
• Para VP > VC e
VF D > VP − VC
• Capacitor
• Tensão Crı́tica
• Esquema de ligação
• Condutividade do
elétron
• Condutividade do
elétron
• Tipos de MOSFET
Resultados
Experimentais
Circuitos Integrados
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Introdução
Métodos de Produção
Como Funciona?
Resultados
Experimentais
• Resultados
Experimentais
• Dispositivos
Circuitos Integrados
Resultados Experimentais
28 / 36
Resultados Experimentais
Introdução
Métodos de Produção
Como Funciona?
Resultados
Experimentais
• Resultados
Experimentais
•
•
•
•
•
Comprimento L = 12, 7µm;
Largura W = 127µm;
Espessura Tox = 1000Å;
Tensão de pinch-off 2V .
Dispositivo fabricado com 5ohm − cm silı́cio tipo p.
• Dispositivos
Circuitos Integrados
29 / 36
Resultados Experimentais
Introdução
Métodos de Produção
Como Funciona?
Resultados
Experimentais
• Resultados
Experimentais
• Dispositivos
Circuitos Integrados
30 / 36
Dispositivos
Introdução
Métodos de Produção
Como Funciona?
Resultados
Experimentais
• Resultados
Experimentais
• Dispositivos
• 2200 transistores por polegada
•
•
Circuitos Integrados
•
quadrada;
Corrente após a saturação;
Falha da condição de Shockley;
Multiplicação
dos
Carregadores de alto campo;
• Equilı́brio térmico entre os terminais.
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Introdução
Métodos de Produção
Como Funciona?
Resultados
Experimentais
Circuitos Integrados
• Circuitos Integrados
• Transistores por
processador
• Agradecimentos
Circuitos Integrados
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Circuitos Integrados
Introdução
Métodos de Produção
• Formado por transistores, diodos, resistores e capacitores;
• Fabricados na mesma pastilha de semicondutor e interligados
Como Funciona?
Resultados
Experimentais
•
Circuitos Integrados
• Circuitos Integrados
• Transistores por
•
por filmes metálicos;
1958, Jack Kilby produz o primeiro circuito integrado ganhando o
nobel de fı́sica no ano 2000.
Lei de Moore.
processador
• Agradecimentos
Tipos de CI:
• Analógicos: amplificadores, reguladores de voltagem e chaves.
• Digitais: microprocessadores e memórias
Sobre as memórias
Atualmente usa-se transistores do tipo MOSFET, no qual o capacitor
carregado representa o bit 1 e o descarregado representa o bit 0.
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Circuitos Integrados
Introdução
Métodos de Produção
O mais novo processador da Intel usa um composto com háfnio
como elemento isolante.
Como Funciona?
Resultados
Experimentais
Circuitos Integrados
• Circuitos Integrados
• Transistores por
processador
• Agradecimentos
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Transistores por processador
Introdução
Métodos de Produção
Como Funciona?
Resultados
Experimentais
Circuitos Integrados
• Circuitos Integrados
• Transistores por
processador
• Agradecimentos
Intel 4004
Intel 80286
Intel 80486
Pentium III
AMD K7
Core 2 Duo
Cell
GT200
2 300
134 000
1 200 000
9 500 000
22 000 000
291 000 000
241 000 000
1 400 000 000
1971
1982
1989
1999
1999
2006
2006
2008
Intel
Intel
Intel
Intel
AMD
Intel
Sony/IBM/Toshiba
NVIDIA
35 / 36
Agradecimentos
Introdução
Métodos de Produção
Como Funciona?
Resultados
Experimentais
Circuitos Integrados
• Circuitos Integrados
• Transistores por
processador
• Agradecimentos
OBRIGADO A TODOS
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