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Microeletrônica

Germano Maioli Penello

http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Microeletronica%20_%202015-1.html

Sala 5145 (sala 17 do laboratorio de engenharia elétrica)

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Pauta (09/04/2015)

Isadora

Thiago Nascimento Oliveira

201110066811VINICIUS DE OLIVEIRA ALVES DA SILVA

201020582111PEDRO DA COSTA DI MARCO

200820515511LEONARDO SOARES FARIA

200710030011LAIS DA PAIXAO PINTO

201010067611JEFERSON DA SILVA PESSOA

201210076411HUGO LEONARDO RIOS DE ALMEIDA

200810343411DAVID XIMENES FURTADO

201110063911ALLAN DANILO DE LIMA

201110256011ÁQUILA ROSA FIGUEIREDO

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Pauta (14/04/2015)

Isadora

Thiago Nascimento Oliveira

201110066811VINICIUS DE OLIVEIRA ALVES DA SILVA

201020582111PEDRO DA COSTA DI MARCO

200820515511LEONARDO SOARES FARIA

200710030011LAIS DA PAIXAO PINTO

201010067611JEFERSON DA SILVA PESSOA

201210076411HUGO LEONARDO RIOS DE ALMEIDA

200810343411DAVID XIMENES FURTADO

201110063911ALLAN DANILO DE LIMA

201110256011ÁQUILA ROSA FIGUEIREDO

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Sala limpa

Turbulenta Laminar

http://en.wikipedia.org/wiki/Cleanroom

Ambiente normal - 35,000,000 partículas/m3 com tamanhos acima de 0.5µm

Sala limpa (ISO 1) – 12 partículas/m3 com tamanhos abaixo de 0.3µm

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Sala limpaAmbiente controlado: temperatura, umidade, fluxo de ar, descargas eletrostáticas, baixa quantidade de poluentes, poeira, partículas suspensas, vapores químicos

A roupa é para proteger a sala limpa do usuário!

Os móveis são feitos de materiais quenão liberem partículas (teflon, aço inox)

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Sala limpa (sala amarela)

Sala onde a luz ambiente não contémradiação UV.

O fotorresiste é sensível à radiação UV e pode ser manuseado nesta sala sempreocupação.

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Poço

Primeira camada a ser fabricada no circuito integrado CMOS

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Diodo parasíticoUm poço-n num substrato tipo-p forma um diodo

Para evitar que este diodo seja polarizado diretamente (conduza corrente), o substrato é normalmente o ponto de menor tensão do circuito (aterrado).Idealmente, não existe corrente fluindo no substrato.

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Resistor (poço-n)

Além de ser usado como o corpo do PMOS, o poço pode ser usadocomo um resistor.

Se as tensões nos terminais do resistor forem maiores que a tensão do substrato, podemos evitar que o diodo parasítico seja polarizado diretamente.

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Crescimento de SiO2

Requer um ambiente com altas temperaturas

Consome Si do substrato durante o processo de crescimento

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Crescimento de SiO2

Requer um ambiente com altas temperaturas

Consome Si do substrato durante o processo de crescimento

Pro efeito de interferência de luz, dá para se estimar a espessura do óxidoapenas analisando a sua cor! Mesma explicação do efeito de coloraçãoobservada quando existe óleo derramado sobre a água na rua.

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FotorresisteSpin coating - spinner

https://www.youtube.com/watch?v=CyExUbrWT9A

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Difusão

Difusão de átomosdoadores (tipo-n).

Elemento da coluna V da tabela periódica

P - Fósforo.

Note que a difusãoocorre também embaixodo fotorresiste protetor

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Leiaute do poço-nO leiaute das máscaras fotolitográficas é feita consideranto a visão superior. Um dos pontos chaves do leiaute é o fator de escala. Ex.:Dimensões mínimas = 50nmQuadrado de 10x10 (adimensional) tem seus lado de 500nm desprezando a difusão lateral e outras imperfeições.

Usar números inteiros para desenhar o leiaute simplifica o processamento.

Vista superior

Seção reta

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Regras de design (poço-n)Existem regras que determinam o espaçamento e tamanho mínimosrequerido para todas as camandas do processamento CMOS!

O engenheiro de processo é quem especifica essas regras e tambémquem projeta o CI. As regras variam dependendo da tecnologiausada (processos com fator de escala 1µm tem diferentes regras de processos com fator de escala de 50nm)

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ResistênciaAlém de servir como base para o transistor PMOS, o poço-n também é utilizadopara criar resistores.

Lembrando:

A resistência de um material depende do propriedades intrínsecas do material e da sua geometria.

Propriedade do mateiral: ResistividadeGeometria: Comprimento e área de seção reta

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Leiaute de quinasVimos como fazer resistores com o poço-n, mas e se quisermos pouparespaço e fazer algo diferente de um retângulo?

Qual a resistência desta configuraçãose Rs = 100 Ω/sq?

A resistência da quina é aproximadamente 0.6 Rs

A resistência total entre os pontos A e B é de 2.6 Ω/sq

Mas o valor de resistência de folha não é tão preciso! Dependendo do processo, a resistência pode variar significativamente!

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Leiaute de quinasPara evitar os problemas mostrados no slide anterior, evita-se fazerresistências com quinas (cantos). Um método preferível é de conectarresistores retangulares com fios.

Desta maneira, podemos ter umamaior confiabilidade no valor dos resistores projetados.

Ex.: Ganho de um op-amp dependeda razão de resistores. Se osvalores das resistências projetadasnão fo igual ao da resitência medidano circuito, o projeto não será bemsucedido.

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Resistor de poço-nAo longo do curso veremos as diversas camadas, não se preocupe por agora.

Esta é a seção reta de um resistor de poço-n após as divesas etapas de processamento.

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Resistor de poço-nAo longo do curso veremos as diversas camadas, não se preocupe por agora.

Esta é a seção reta de um resistor de poço-n após as divesas etapas de processamento.

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ExercícioProjete um resistor de 250 kΩ usando um poço-n num padrão de serpentina. O comprimento máximo de cada segmento é de 100 e a resistência de folha é de 2 kΩ/sq. Confira as regras de design do resistor! Se o fator de escala for de 50 nm, estime o tamanho do resistor fabricado.

http://www.staticfreesoft.com/index.html

Programa gratuito para criarleiautes e esquemáticos. Simula o leiaute em conjuntocom o SPICE.

Façam este exercício seguindoas regras de design do programa.

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Diodo entre o poço-n e o substrato

Vimos que o poço-n forma um diodo (uma junção pn) com o substrato.

Como incluir este diodo num modelo que explique o circuito?

Faremos isso analisando matematicamente as equações que governam o funcionamento do diodo e também veremos como o SPICE realiza as simulações.

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DiodoAs características DC de um diodo são dadas pela equação de Shockley do diodo

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DiodoAs características DC de um diodo são dadas pela equação de Shockley do diodo

http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/iv/index.html

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DiodoAs características DC de um diodo são dadas pela equação de Shockley do diodo

ID – corrente no diodoIS – Corrente de saturaçãoVd – Tensão no diodoVT – Tensão térmica (~25meV @ 300K)n – coeficiente de emissão (relaciando com o perfil de dopagem)

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DiodoAs características DC de um diodo são dadas pela equação de Shockley do diodo

SPICE considera que o valor de Is fornecido pelo modelo foi medido com umaárea de referência 1. Se um fator de área igual a 2 é utilizado no diodo, Is seráo dobro.

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Metal – semicondutor - isolante

http://php.scripts.psu.edu/users/i/r/irh1/SWF/Semiconductors.swf

Estrutura da bandas

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Semicondutor

Pontos importantes:

Aumentar o número de buracos ou elétrons aumenta a condutividade do material

Mobilidade (facilidade de se mover no cristal) do elétron é maior do que a do buraco

Uma forma simples de pensar é lembrar que o buraco é o movimento coletivo de elétrons.

Analogia, uma pessoa sozinha (elétron) se move facilmente. Uma fila de pessoasse movendo quando abre um espaço (buraco), se movem mais lentamente.

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Semicondutor

Pontos importantes:

Aumentar o número de buracos ou elétrons aumenta a condutividade do material

Mobilidade (facilidade de se mover no cristal) do elétron é maior do que a do buraco

PONTO IMPORTANTE!

As mobilidades do buraco e do elétron são diferentes, isto afeta o tamanho dos MOSFETs. NMOS são menores que PMOS para que eles tenham a mesmacapacidade de corrente, Ids.

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Tempo de vida do portador

Quando a temperatura aumenta, o semicondutor absorve calor. Elétrons nabanda de valência ganham energia para serem ecitados pra banda de condução.

Note a importância de Eg no semicondutor!

Esta excitação de elétrons da banda de valência para a banda de condução échamada de geração.

Quando o elétron volta da banda de condução para a banda de valência, isto échamado de recombinação.

O tempo que o elétron passa na banda de condução antes de recombinar (voltarpara a banda de valência) é aleatório. Ele é caracterizado pelo tempo de vida do portador tT. (valor rms do tempo que o elétron passa na banda de condução)

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Concentração de portadores

O tempo de vida do portador é um parâmetro muito importante no projeto de circuitos integrados.

Outro parâmetro importante é o número de elétrons na banda de condução oude buracos na banda de valêncai (chamada de concentração de portadores).

A temperatura 0K, qual o número de elétrons na banda de condução? E de buracos na banda de valência?

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Concentração de portadores

O tempo de vida do portador é um parâmetro muito importante no projeto de circuitos integrados.

Outro parâmetro importante é o número de elétrons na banda de condução oude buracos na banda de valêncai (chamada de concentração de portadores).

À temperatura ambiente (~300K), o número de portadores intrínsecos no Si é de

ni = 14.5 x 109 cm-3

Unidade em número de portadores por volume.

(ni - portadores intrínsecos)

Nesta situação, qual o número de elétrons livres (elétrons excitados na banda de condução)? Qual o número de buracos?

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Concentração de portadoresÀ temperatura ambiente (~300K) em um Si intrínseco,

n – elétrons livresp – buracos

Pode parecer um número grande, mas é baixo se comparado ao número de átoms de Si no cristal (NSi = 50 x 1021 cm-3)

Só existe um par elétron/buraco a cada ~1012 átomos de Si

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Dopagem

A dopagem é feita para alterar as propriedades elétricas do semicondutor.Dopante tipo p?Dopante tipo n?

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Dopagem

A dopagem é feita para alterar as propriedades elétricas do semicondutor.Dopante tipo p? – B (coluna III da tabela periódica)Dopante tipo n? – P (coluna V da tabela periódica)

Se doparmos o semicondutor com um número muito maior do que o número de portadores intrínsecos, podemos fazer a seguinte aproximação.No caso de dopagem com excesso de elétrons, o número de elétrons livres, n, no material é

Semicondutor dopado do tipo-n

Por que NSi >> ND?

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Dopagem

A dopagem é feita para alterar as propriedades elétricas do semicondutor.Dopante tipo p? – B (coluna III da tabela periódica) material doadorDopante tipo n? – P (coluna V da tabela periódica) material aceitador

Se doparmos o semicondutor com um número muito maior do que o número de portadores intrínsecos, podemos fazer a seguinte aproximação.No caso de dopagem com falta de elétrons, o número de buracos, p, no material é dado por

Semicondutor dopado do tipo-p

Por que NSi >> ND?

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DopagemA dopagem aumenta a condutividade porque agora há mais portadoresdisponíveis para realziar a condução. No semicondutor tipo-n esse excesso é de elétrons. No semicondutor tipo-p esse excessor é de buracos.

É de se imaginar que, se o número de elétrons aumenta com a dopagem, o número de buracos no mesmo material diminua. Por que?

Essa relação entre elétrons, buracos e número de portadores intrínsecos égovernada pela Lei de ação das massa

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Exemplo

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Exemplo

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Exemplo

Pouquíssimos buracos! Note que com ND = 1018, a aproximação de que

começa a não ser muito boa. Quando ND ~ NSi, o material é chamado de degenerado. Materiais degenerados não seguem mais a lei de ação das massas.

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Energia de Femi

A energia de Fermi indica quando a probabilidade de ocupação de um elétronlivre é de 50%.

Ela é útil na determinação de potenciais de contato entre materiais.

Ef (= Ei) aproximadamente no meio do gap

Energia de fermi do material intrínseco

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Energia de Femi

Num semicondutor do tipo p

Ef se aproxima da banda de valência. Número de elétrons é reduzidocom o excesso de buracos.

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Energia de Femi

Num semicondutor do tipo n

Ef se aproxima da banda de condução.

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Energia de Fermi

A diferença de energia entre Ei e Ef é dada por

Percebemos com estas equações que a dopagem controla o nível de Fermi!

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Energia de Fermi (Junção pn)

Ao criar uma junção pn, como fica a estrutura de banda da junção?

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Energia de Fermi (Junção pn)

Ao criar uma junção pn, como fica a estrutura de banda da junção?

A energia de Fermi é importante nesta análise. Ela indica a situaçãode equilíbrio.

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Energia de Fermi (Junção pn)

Ao criar uma junção pn, como fica a estrutura de banda da junção?

Junção pn

Uma variação na Ef indica uma situação de não equilibrio. Se não tem potencial aplicado na junção, a Ef é constante em na estrutura.

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Energia de Fermi (Junção pn)

Ao criar uma junção pn, como fica a estrutura de banda da junção?

Junção pn

Como determinar Vbi?

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Energia de Fermi (Junção pn)

Ao criar uma junção pn, como fica a estrutura de banda da junção?

Junção pn

(Reveja eq. do slide 43)

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Junção pn (diodo)

Para que exista o fluxo de corrente em um diodo, devemos aplicar umatensão que se aproxima de Vbi.

http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/biasedPN/index.html

Aplicativo:

Analise qual é o ladope qual é o lado n dajunção.

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Camada de depleção

Elétrons livres do lado n e buracos livres do lado p se recombinam na junção. Essa região livre de elétrons livres e buracos livres é chamada de região de depleção.

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Camada de depleção

A região de depleção tem cargas fixas positivas no lado n e positivas no lado p.A movimentação de elétrons e buracso só para quando o campo elétrico geradopelas cargas fixas contrabalanceia o fluxo de portadores.

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Capacitância parasítica

Uma região de cargas fixas positivas e cargas fixas negativas pode ser analisadacomo placas de um capacitor! Essa capacitância parasítica é chamada de capacitância de depleção ou de junção.

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Capacitância parasíticaA capacitância de depleção podese ser modelado pela equação

Cj0 – capacitância sem tensão aplicada na junçãoVD – Tensão no diodom – coeficiende de gradação (grading coefficient)Vbi – potencial intrínseco

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Exemplo

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Exemplo

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Exemplo

Calcular o potencial intrínseco VbiCalcular a capacitância do fundo (como?)Calcular a capacitância da lateral Calcular a capacitância total

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Exemplo

Calcular o potencial intrínseco VbiCalcular a capacitância do fundoCalcular a capacitância da lateral Calcular a capacitância total

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Exemplo

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Exemplo

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Exemplo

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Exemplo

Capacitâncias em série ou em paralelo?

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Exemplo

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Exemplo

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Exemplo

Aqui apresentamos o resultado dacapacitância apenas napolarização reversa (VD negativo).

Quando o diodo é polarizadodiretamente, os portadoresminoritários formam umacapacitância de difusão muitomaior que a de depleção! Veremos isso na próxima aula…

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Trabalho para a semana depois do feriado

Projete um resistor de 250 kΩ usando um poço-n num padrão de serpentina. O comprimento máximo de cada segmento é de 100 e a resistência de folha é de 2 kΩ/sq. Confira as regras de design do resistor! Se o fator de escala for de 50 nm, estime o tamanho do resistor fabricado.

http://www.staticfreesoft.com/index.html

Programa gratuito para criar leiautes e esquemáticos. Simula o leiaute emconjunto com o SPICE.

Façam este exercício seguindo as regrasde design do programa! Me apresentemos resultados na aula depois do feriado. Farei perguntas sobre o software e sobreas regras de design do programa. Utilizem a tecnologia MOCMOS quesegue a regra de design do MOSIS.