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MOSFET

Lucas Modesto da Costa

Instituto de Fsica - DFGE - USP

12 de dezembro de 2008

Introduc ao

Introduc ao

Transistores Descoberta Tipos de Transistores MOSFET

M etodos de Produc ao

Como Funciona?

ResultadosExperimentais

Circuitos Integrados

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Transistores

Introduc ao



Como Funciona?



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Descoberta

Introduc ao



Como Funciona?



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Princpio b asico proposto na d ecada de 30 por Lilienfeld e Heil; Bell Telephone em 1947 por Brattain e Bardeen; Propriedades de superfcie de germ anio com contatos met alicos

reticadores; Em Dezembro do mesmo ano, anunciam o transistor, por em as

primeiras vers oes eram bem fr ageis; W. Shockley em 1948 publica um trabalho te orico propondo o

transistor de junc ao; Pr emio Nobel em 1956 para Shockley, Brattain e Bardeen.

Tipos de Transistores

Introduc ao



Como Funciona?



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Basicamente, os transistores est ao divididos em:

1. Transistor bipolar de junc ao:controle a partir da corrente de entrada

pnp; npn;

2. Transistor de efeito de campo:controle a partir da tens ao de entrada

junc ao; metal-semicondutor; porta isolada .

MOSFET

Introduc ao



Como Funciona?



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O que signica essa palavra?

MOS - Metal-Oxide-Semicondutor; FET - Field Effect Transistor.

Uso de terminais el etricos, sendo substitudo por polisilcio. Terminal porta isolado do semicondutor por uma camada de um

oxido do pr oprio semicondutor (SiO2). A tens ao de entrada gera um campo num capacitor, formado

pelo contato met alico da porta e pelo semicondutor do canal,separados por uma camada isolante.

Alta imped ancia de entrada.


Introduc ao



Como Funciona?



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Introduc ao



Como Funciona?



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Difus ao convencional; Fotoresit encia; Evaporac ao a v acuo.

Fotolitograa; Implantac ao i onica; Corros ao; Epitaxia; Deposic ao; Oxidac ao T ermica.

Produc ao - Preparando o substrato

Introduc ao



Como Funciona?



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Substrato p

Produc ao - Adic ao do isolante

Introduc ao



Como Funciona?



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xido (SiO )2

p

Produc ao - Fotolitograa

Introduc ao



Como Funciona?



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ResinaFotoresistiva

Mscara

Luz Ultravioleta

p

Produc ao - Difus ao de impurezas

Introduc ao



Como Funciona?



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p

n+

Produc ao - Contatos met alicos

Introduc ao



Como Funciona?



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n+n+

Fonte Ponte Dreno SiO2

p Camada deinverso

Como Funciona?

Introduc ao


Como Funciona? Para VP < 0 eVF D = 0 Para0 < V P < V C eVF D = 0 Para VP > V C eVF D = 0 Para VP > V C eVF D < V P VC Para VP > V C eVF D = VP VC Para VP > V C eVF D > V P VC Capacitor Tens ao Crtica Esquema de ligac ao Condutividade doel etron Condutividade doel etron

Tipos de MOSFET



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Para VP < 0 e VF D = 0

Introduc ao



Tipos de MOSFET



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n+

F P D

p

n+

Acumulac ao

Para 0 < VP < VC e VF D = 0

Introduc ao



Tipos de MOSFET



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n+

F P D

p

n+

Deplec ao

Para VP > VC e VF D = 0

Introduc ao



Tipos de MOSFET



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n+

F P D

p

n+

Invers ao

Para VP > VC e VF D < VP VC

Introduc ao



Tipos de MOSFET



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n+

F P D

p

n+

Regi ao Trodo

I d =oxWLTox

(VP VC ) VF D

V 2F D2

Para VP > VC e VF D = VP VC

Introduc ao



Tipos de MOSFET



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n+

F P D

p

n+

Transic ao trodo - saturac aopinch-off (pincamento)

Para VP > VC e VF D > VP VC

Introduc ao



Tipos de MOSFET



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F P D

n+

p

n+

Regi ao de Saturac ao

I d =oxW2LTox

(VP VC )2

Capacitor

Introduc ao



Tipos de MOSFET



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Queda do Potencial:

no isolante (Vi ); no semicondutor (Vs).

V = Vi + Vs

Cargas no capacitor:

na superfcie do metal (Qm ); na superfcie do semicondutor (Qs).

Q = Qs = Qm > 0

Capacitor

Introduc ao



Tipos de MOSFET



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Vi =QCi

; Ci = iAd

Qs = Q = eNaLA

Comprimento da camada l

l =

2sVseNa

1=2

Tens ao em func ao de l

V =eNad

il +

eNa2s

l2

Gerada a camada de deplec ao l . Quando V > Vc, teremoscrescimento da carga de invers ao.

Tens ao Crtica

Introduc ao



Tipos de MOSFET



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Tens ao Crtica no caso ideal:

Vc =QdCi

+ 2 ` F

Tens ao Crtica no caso geral:

Vc =QdCi

+ 2 ` F + ` ms QoxCi

Func ao trabalho ` ; Qd carga de deplec ao m axima; Para obter uma pequena tens ao crtica, deve-se fazer a

capacit ancia Ci maior possvel.

Esquema de ligac ao

Introduc ao



Tipos de MOSFET



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aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaabbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb

aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa




aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa

aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaabbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb

L

Z=0 Z=L

DZZ

L!

IDRDID RS

Condutividade do el etron

Introduc ao



Tipos de MOSFET



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Eox =VG V (z)

Tox

c(z) = oxEox(z) =oxTox

[VG V (z)]

Condic ao de corrente:

m (z) =oxTox

f [VG V (z)] VP g; seVG V (z) > VP

m (z) = 0 ; seVG V (z) VP

Condut ancia:

G(z) = m (z)W

z

Condutividade do el etron

Introduc ao



Tipos de MOSFET



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Pela Lei de Ohm:

I d = G(z) V = m (z)W V z

Integrando sobre a largura do canal:

I d

Z L

0=

oxWLTox

Z VD 0

VS 0[VG V (z) VP ]dV

Finalmente:

I d =oxWLTox

(VG VP ) (VD 0 VS0) 12

V 2D 0 V

2S0

Tipos de MOSFET

Introduc ao



Tipos de MOSFET



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Resultados Experimentais

Introduc ao


Como Funciona?

ResultadosExperimentais ResultadosExperimentais

Dispositivos


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Introduc ao


Como Funciona?


Dispositivos


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Comprimento L = 12; 7m ; Largura W = 127m ; Espessura Tox = 1000 A; Tens ao de pinch-off 2V . Dispositivo fabricado com 5ohm cm silcio tipo p.


Introduc ao


Como Funciona?


Dispositivos


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Dispositivos

Introduc ao


Como Funciona?


Dispositivos


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2200 transistores por polegadaquadrada;

Corrente ap os a saturac ao; Falha da condic ao de Shock-

ley; Multiplicac ao dos Car-

regadores de alto campo;

Equilbrio t ermico entre os ter-minais.


Introduc ao


Como Funciona?



Circuitos Integrados Transistores porprocessador

Agradecimentos

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Introduc ao


Como Funciona?




Agradecimentos

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Formado por transistores, diodos, resistores e capacitores; Fabricados na mesma pastilha de semicondutor e interligados

por lmes met alicos; 1958, Jack Kilby produz o primeiro circuito integrado ganhando o

nobel de fsica no ano 2000. Lei de Moore.

Tipos de CI:

Anal ogicos: amplicadores, reguladores de voltagem e chaves. Digitais: microprocessadores e mem orias

Sobre as mem orias

Atualmente usa-se transistores do tipo MOSFET, no qual o capacitorcarregado representa o bit 1 e o descarregado representa o bit 0.


Introduc ao


Como Funciona?




Agradecimentos

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O mais novo processador da Intel usa um composto com h afniocomo elemento isolante.

Transistores por processador

Introduc ao


Como Funciona?




Agradecimentos

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Intel 4004 2 300 1971 IntelIntel 80286 134 000 1982 IntelIntel 80486 1 200 000 1989 IntelPentium III 9 500 000 1999 IntelAMD K7 22 000 000 1999 AMDCore 2 Duo 291 000 000 2006 IntelCell 241 000 000 2006 Sony/IBM/ToshibaGT200 1 400 000 000 2008 NVIDIA

Agradecimentos

Introduc ao


Como Funciona?




Agradecimentos

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OBRIGADO A TODOS
IntroduoTransistoresDescobertaTipos de TransistoresMOSFETMtodos de ProduoMtodos de ProduoProduo - Preparando o substratoProduo - Adio do isolanteProduo - FotolitografiaProduo - Difuso de impurezasProduo - Contatos metlicosComo Funciona?Para VP < 0 e VFD = 0 Para 0 < VP < VC e VFD = 0 Para VP > VC e VFD = 0 Para VP > VC e VFD < VP - VC Para VP > VC e VFD = VP - VC Para VP > VC e VFD > VP - VC CapacitorCapacitorTenso Crtica Esquema de ligaoCondutividade do eltronCondutividade do eltronTipos de MOSFETResultados ExperimentaisResultados ExperimentaisResultados ExperimentaisDispositivos

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