O documento discute a camada de inversão em MOSFETs e como ela pode ser pensada como um filme resistivo tipo-n que conecta a fonte e o dreno. Também aborda como a tensão de limiar (Vt) de um MOSFET depende da polarização do corpo através do efeito de corpo. Por fim, explica como a carga na camada de inversão varia ao longo do canal de um MOSFET quando uma tensão é aplicada entre a fonte e o dreno.
3. 3
A camada de inversão de um MOSFET pode ser
pensada como se fosse um filme resistivo tipo-n, de
espessura da ordem de 1-2 nm, que conecta a fonte e o
dreno, como mostra a figura abaixo.
GATE
Substrato-p
- - --N+ N+- - --
Toxe
Vg
Vs
Vb
4. 4
Para a região do substrato, é usual usarmos o termo em
inglês, body, para designar esta vasta região volumétrica
de semicondutor, frente à uma fina camada de elétrons,
por exemplo, na camada de inversão.
GATE
Substrato-p
Corpo ou body
- - --N+ N+- - --
Toxe
Vg
Vs
Vb
5. 5
O filme resistivo tipo-n, no potencial Vs, forma um
capacitor com o gate, onde o óxido é o dielétrico do
capacitor.
GATE
Substrato-p
Corpo ou body
- - --N+ N+- - --
Toxe
Vg
Vs
Vb
6. 6
Também há a formação de um segundo capacitor, se
considerarmos a camada de depleção.
GATE
Substrato-p
Corpo ou body
- - --N+ N+- - --
Toxe
Vg
Wdmax
Vs
Vb
7. 7
Então, podemos dizer que, a camada de inversão
pode ser vista como um filme condutor,
acoplado àVg através da capacitância do óxido, e
acoplado àVb através da capacitância da camada
de depleção.
8. 8
Em analogia com o capacitor de placas paralelas
podemos escrever a capacitância na camada de
depleção como
9. 9
Se fizermosVb =Vs, isto é, se a tensão no contato da
fonte for igual à tensão no contato do corpo ou body,
sabemos a partir de aulas anteriores, que podemos
escrever a carga na camada de inversão como
GATE
Substrato-p
Corpo ou body
- - --N+ N+- - --
Toxe
Vg
Wdmax
Vs
Vb
10. 10
Podemos agora assumir que há também uma tensão
entre a fonte ou sourcee o corpo ou body, e vamos
denominá-la deVsb.
GATE
Substrato-p
Corpo ou body
- - --N+ N+- - --
Toxe
Vg
Wdmax
Vs
Vb
11. 11
Desde que, o corpo (body) e o canal estão acoplados
pela capacitância Cdep, a tensãoVsb induz uma carga
na camada de inversão dada por
GATE
Substrato-p
Corpo ou body
- - --N+ N+- - --
Toxe
Vg
Wdmax
Vs
Vb
12. 12
Portanto, a camada de inversão deve levar em conta
também esta carga, e então escrevemos
GATE
Substrato-p
Corpo ou body
- - --N+ N+- - --
Toxe
Vg
Wdmax
Vs
Vb
14. 14
Que pode ser modificada para uma forma mais
simples, se adotarmos uma modificação na tensão
de threshold,Vt.
GATE
Substrato-p
Corpo ou body
- - --N+ N+- - --
Toxe
Vg
Wdmax
Vs
Vb
16. 16
O que temos chamado até agora deVt, passa a ser
chamado de agora em adiante, deVt0. Assim,
GATE
Substrato-p
Corpo ou body
- - --N+ N+- - --
Toxe
Vg
Wdmax
Vs
Vb
17. 17
O que temos chamado até agora deVt, passa a ser
chamado de agora em adiante, deVt0. Assim,
GATE
Substrato-p
Corpo ou body
- - --N+ N+- - --
Toxe
Vg
Wdmax
Vs
Vb
E chamaremos
com
18. 18
Note que, o que fizemos foi apenas uma maneira de
escrever a fórmula da carga de inversão de modo a
lembrar a forma que a expressávamos inicialmente.
GATE
Substrato-p
Corpo ou body
- - --N+ N+- - --
Toxe
Vg
Wdmax
Vs
Vb
19. 19
Na expressão para o α, o fator 3 é a razão entre as
constantes dielétricas relativas
i. do silício (11.9) e
ii. do SiO2 (3.9).
21. 21
https://people.eecs.berkeley.edu/~hu/Chenming-Hu_ch6.pdf, pagina 207(1)
Quando a junção fonte-
corpo for inversamente
polarizada, a tensão Vt do
NFET torna-se mais
positiva e a do PFET
torna-se mais negativa.
Vt
A figura 6-13c da Referência (1) ilustra a conclusão de
que Vt é uma função aproximadamente linear de Vsb, a
tensão na junção corpo-fonte, ou do inglês body-source.
22. 22
https://people.eecs.berkeley.edu/~hu/Chenming-Hu_ch6.pdf, pagina 207(1)
Normalmente, as junções
fonte- substrato, nunca
estão polarizadas
diretamente, de modo
que nunca ocorre
corrente direta de díodo.
Vt
A figura 6-13c da Referência (1) ilustra a conclusão de
que Vt é uma função aproximadamente linear de Vsb, a
tensão na junção corpo-fonte, ou do inglês body-source.
23. 23
O fato de que, a tensão de threshold, Vt, seja uma
função da polarização do corpo, o substrato de silício,
ou bodyem inglês, é chamado de efeito de corpo ou
body effect.
24. 24
Quando vários NFETs ou PFETs estão ligados em série
num circuito, eles compartilham um corpo em comum,
o substrato de silício, mas seus terminais de fonte não
têm a mesma tensão.
28. 28
Circuitos, portanto, apresentam um melhor
desempenho, quando Vt for o mais indiferente possível
àVSB, isto é, em outras palavras, o efeito de corpo deve
ser minimizado.
31. 31
α na Eq. (6.4.6) pode ser extraída a partir da derivada
da curva na Fig. 6-13c e é chamada de coeficiente de
efeito de corpo.
https://people.eecs.berkeley.edu/~hu/Chenming-Hu_ch6.pdf, pagina 207(1)
32. 32
Transistores modernos empregam
steep retrograde body doping profiles
ou perfis de dopagem de corpo retrógrado acentuados
(levemente dopado em uma camada superficial fina e
pesadamente dopado embaixo) ilustrado na Fig. 6-14.
https://people.eecs.berkeley.edu/~hu/Chenming-Hu_ch6.pdf, pagina 209(1)
33. 33
Steep retrograde doping ou dopagem retrógrada
acentuada permite ao transistor encolher para
tamanhos menores para redução de custos e redução
de espalhamento por impurezas.
34. 34
A espessura da camada de depleção é, basicamente, a
espessura da região levemente dopada.
35. 35
Conforme a tensão de polarização no substrato, Vsb,
aumenta, a camada de depleção não se altera
significativamente.
37. 37
Como resultado, os transistores modernos
apresentam uma relação mais ou menos linear entre
Vt eVsb.
38. 38
Dizer que é uma relação linear, significa que
Wdmax
e, portanto, a relação
Cdep/Coxe
são independentes da polarização do bodyou do corpo.
39. 39
Em gerações mais antigas de MOSFETs, a densidade de
dopagem do corpo é mais ou menos uniforme (ver a
curva inferior na Fig. 6-14) e Wdmax varia com Vsb.
https://people.eecs.berkeley.edu/~hu/Chenming-Hu_ch6.pdf, pagina 209(1)
40. 40
Nesse caso, a teoria para o efeito de corpo é mais
complicada.
41. 41
Vt pode ser obtida substituindo-se o termo 2φB (o
encurvamento de banda no corpo) na Eq. (5.4.3)
por 2φB + Vsb
42. 42
Onde γ é chamado de parâmetro de efeito de corpo.
44. 44
Uma pista dessa sublinearidade é observada nos dados
da Fig. 6-13c.
https://people.eecs.berkeley.edu/~hu/Chenming-Hu_ch6.pdf, pagina 207(1)
45. 45
A equação (6.4.8)
é algumas vezes linearizada através expansão de Taylor
de modo que Vt seja expressa como uma função linear
de Vsb sob a forma de equação. (6.4.6).
56. 56
No entanto, incluindo m nas equações melhora
significativamente seus resultados para futuras
aplicações.
57. 57
O corpo é às vezes chamado de back gate ou de porta
de trás, uma vez que tem claramente um efeito similar
embora mais fraco sobre a carga do canal.
58. 58
O efeito de back-gate sobre a carga de inversão, Qinv, é
muitas vezes chamado de efeito bulk-carga, e m é
chamado de fator de bulk-carga.
59. 59
É evidente que o efeito de bulk-carga está intimamente
ligado ao efeito corpo apresentado anteriormente.