24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

1

24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

2

Tranzystory

Tranzystory

24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

3

Struktura

MOS

Struktura

MOS

24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

4

Struktura MOS typu n

(Metal-Oxide-Semiconductor

)

Struktura MOS typu n

(Metal-Oxide-Semiconductor

)

n

--

--

--

--

--

--

--

--

--

--

--

++

++

++

++

++

Struktura MOS jest kondensatorem, w którym jedną okładką jest metal

(półprzewodnik), a drugą – półprzewodnik.

W półprzewodniku tupu n nośnikami większościowymi są elektronu, jest ich

więcej niż dziur.

Metal

Oxide

Semiconductor

n

++

++

24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

5

Struktura MOS typu n

(Metal-Oxide-Semiconductor

)

Struktura MOS typu n

(Metal-Oxide-Semiconductor

)

--

--

--

--

--

--

--

--

--

--

--

++

++

++

++

++

Jeżeli do okładki metalowej przyłoży sie napięcie ujemne to naładuje się ona

elektronami, które będą odpychały elektrony w warstwie półprzewodnika a

przyciągały dziury. Przy pewnym napięciu (napięcie progowe U

T

) ilość

elektronów przy powierzchni półprzewodnika zrówna się z ilością dziur.

Przy napięciu |U| > |U

T

| pod tlenkiem zaczną przeważać dziury i powstanie

kanał typu p ( tzw. warstwa inwersyjna)

Metal

Oxide

Semiconductor

-

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Kanał typu p

Kanał typu p

p

--

--

24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

6

Struktura MOS typu p

(Metal-Oxide-Semiconductor

)

Struktura MOS typu p

(Metal-Oxide-Semiconductor

)

++

++

++

++

++

++

++

++

++

--

--

--

--

--

W strukturze MOS typu p mechanizm jest podobny tylko do okładki

metalowej przykładamy napięcie dodatnie, a pod tlenkiem tworzy się kanał

typu n

Metal

Oxide

Semiconductor

+

-

+ + + + + + + + + + +

Kanał typu n

Kanał typu n

++

24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

7

Tranzystor

MOS

Tranzystor

MOS

24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

8

Tranzystor pMOS

Tranzystor pMOS

Tranzystor pMOS zbudowany jest z dwóch złączy pn (źródło i dren)

połączonych strukturą MOS (bramka), która przy odpowiednim napięciu

zwiera warstwy p obu złącz kanałem (warstwą inwersyjną) typu p.

p

p

Źródło Bramka Dren

Source

Gate

Drain

Bulk

24 kwietnia 2013

G

D

S

Symbol tranzystora

nMOS

24 kwietnia 2013

G

D

S

Symbol tranzystora

pMOS

p

24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

9

Tranzystor nMOS

Tranzystor nMOS

Tranzystor nMOS zbudowany jest z dwóch złączy np połączonych strukturą

MOS, która przy odpowiednim napięciu zwiera warstwy n obu złącz kanałem

(warstwą inwersyjną) typu n.

n

n

Source

Gate

Drain

Bulk

G

D

S

Symbol tranzystora

nMOS

p

24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

10

Tranzystor nMOS

Tranzystor nMOS

Wymiary kanału tranzystora MOS: L – długość kanału, W – szerokość kanału

Kanał można potraktować jako warstwę rezystywną:

im szerszy i krótszy, tym posiada mniejszą rezystancję.

n

n

Source

Gate

Drain

p

n

n

L

W

24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

11

p

n

n

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Tranzystor nMOS

Tranzystor nMOS

--

++

++

++

++

++

++

++

++

++

++

++

--

--

--

--

--

--

--

--

++

++

U

GS

= 0

13

U

DS

=

0

--

--

--

--

--

--

Kanał w tranzystorze nMOS powstaje po przyłożeniu do bramki napięcia

dodatniego względem źródła.

Kanał w tranzystorze pMOS powstaje po przyłożeniu do bramki napięcia

ujemnego względem źródła.

24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

12

p

n

n

--

--

--

--

--

Tranzystor nMOS

Tranzystor nMOS

--

++

++

++

++

++

++

++

--

--

--

--

--

--

--

--

U

GS

= 3

--

--

--

--

--

--

U

DS

= 0

13

Po przyłożeniu napięcia pomiędzy źródłem i drenem w kanale płynie prąd.

Jednocześnie kanał zaczyna się zawężać od strony drenu (mniejszy

potencjał bramki względem drenu)

p

n

24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

13

--

--

--

--

--

Tranzystor nMOSFET

Tranzystor nMOSFET

--

++

++

++

++

++

++

++

--

--

--

--

--

--

--

--

U

GS

= 3

--

--

--

--

--

--

U

DS

= 0

13

Wyróżniamy trzy zakresy pracy tranzystora: zakres odcięcia (przy napięciu

bramki poniżej napięcia U

T

), zakres liniowy (przed ściśnięciem kanału) i

zakres nasycenia (po ściśnięciu kanału).

24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

14

Charakterystyki

Charakterystyki

24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

15

Charakterystyki

Charakterystyki

Wyróżniamy trzy zakresy pracy tranzystora: zakres odcięcia (przy napięciu

bramki poniżej napięcia U

T

), zakres liniowy (przed ściśnięciem kanału) i

zakres nasycenia (po ściśnięciu kanału).

W pierwszym przybliżeniu zachowanie tranzystora nMOS można zapisać:













































2

2

2

0

T

GS

DS

DS

T

GS

D

V

V

V

V

V

V

;

I

Zakres odcięcia

Zakres liniowy

Zakres nasycenia

T

GS

DS

V

V

V







0

DS

T

GS

V

V

V







0

0





T

GS

V

V

gdzie - wzmocnienie

tranzystora,

zależy od parametrów

technologicznych i wymiarów tranzystora

L

W

t

ox









24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

16

Charakterystyka I

D

= f(V

DS

) nMOS

Charakterystyka I

D

= f(V

DS

) nMOS

I

D

[A]

V

DS

[V]

Linear

Saturation

NMOS transistor, 0.25 m, L

d

= 10m, W/L = 1.5, V

DD

= 2.5V, V

T

= 0.4V

I

D

[A]

V

GS

[V]

V

DS

= V

DD

V

T

24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

17

Pojemności

pasożytnicze

MOS

Pojemności

pasożytnicze

MOS

24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

18

Pojemności pasożytnicze tranzystora

MOS

Pojemności pasożytnicze tranzystora

MOS

p

n

n

Source

Gate

Drain

p

n

n

L

W

Rodzaje pojemności pasożytniczych:

1. Pojemność bramki C

GB

2. Pojemność złącz pn C

SB

i C

DB

3. Pojemność zakładek bramki nad

źródłem i drenem C

GS

i C

GD

Bulk

24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

19

Pojemności pasożytnicze tranzystora

MOS

Pojemności pasożytnicze tranzystora

MOS

Parametry przykładowego tranzystora nMOS:

t

ox

= 6 nm,

L

= 0.24 m,

W

= 0.36 m,

L

D

=

L

S

= 0.625 m,

C

O

= 3 x10

–10

F/m,

C

j0

= 2 x10

–3

F/m

2

,

C

jsw0

= 2.75 x10

–10

F/m.

C

GB

= 

ox

LW/t

ox

=

0.5fF

C

GS

= C

GD

= C

0

W =

0.1 fF

C

SB

= C

DB

= C

j0

WL

S,D

+C

jsw0

(W+2L

D,S

)=0.45fF+0.44fF=

0.89 fF

O.25 m

C

ox

[fC/ m

2

]

C

o

[fC/ m]

C

j

[fC/ m

2

]

C

jsw

[fC/ m]

NMOS

6

0.31

2

0.28

PMOS

6

0.27

1.9

0.22

24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

20

Tranzystor MOS

jako

przełącznik

Tranzystor MOS

jako

przełącznik

24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

21

MOS jak przełącznik

MOS jak przełącznik

Rezystancja jest odwrotnie

proporcjonalna do stosunku W/L

(podwojenie W zmniejsza o połowę R

on

)

Dla V

DD

>>V

T

+V

DSat

/2, R

on

nie zależy od

V

DD

Gdy V

DD

obniży się do V

T

, R

on

gwałtownie rośnie

Tranzystor MOS może być traktowany jako przełącznik z nieskończoną

rezystancją w stanie wyłączonym i rezystancją R

on

w stanie włączonym

MOS transistor, 0.25um, W/L = 1.5, V

T

= -0.4V

24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

22

Tranzystor NMOS przewodzi, gdy na

bramkę przyłoży się wysokie napięcie

(> V

T

)

Tranzystor NMOS nie przewodzi, gdy

na bramkę przyłoży się niskie napięcie

(< V

T

)

NMOS jak przełącznik

NMOS jak przełącznik

NMOS

NMOS

NMOS

V

DD

V

DD

V

SS

V

SS

24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

23

V

DD

V

DD

Tranzystor PMOS nie przewodzi, gdy

na bramkę przyłoży się wysokie

napięcie

Tranzystor PMOS przewodzi, gdy na

bramkę przyłoży się niskie napięcie

PMOS jak przełącznik

PMOS jak przełącznik

PMOS

PMOS

PMOS

V

SS

V

SS

PMOS

PMOS

PMOS

NMOS

Vin

Vout

VDD

VSS

VDD

24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

24

NMOS jak przełącznik

NMOS jak przełącznik

Rozładowanie obciążenia C

L

Aby przez tranzystor MOS

mógł płynąć prąd |V

GS

| > |V

T

|

V

DD



0

C

L

D

S

V

DD

1

0  V

DD

-V

T

C

L

S

D

Ładowanie obciążenia C

L

Przy rozładowaniu kondensatora C

L

napięcie V

GS

jest

cały czas stałe i wynosi V

DD

dlatego kondensator

będzie się rozładowywał aż uzyska napięcie 0 (czyli do

momentu, gdy V

DS

= 0).

Przy ładowaniu kondensatora kondensatora C

L

napięcie V

GS

zmniejsza się od V

DD

do momentu, kiedy

przestanie płynąć prąd drenu (czyli do momentu, gdy

V

GS

= V

T



gdy napięcie na wyjściu wyniesie V

DD

- V

T

).

Tranzystor NMOS dobrze przewodzi niskie napięcie i gorzej wysokie

napięcie (V

DD

- V

T

)

Tranzystor NMOS źle przewodzi logiczną jedynkę

V

DD

1

24 kwietnia 2013

Wojciech Kucewicz

25

PMOS jak przełącznik

PMOS jak przełącznik

Ładowanie obciążenia C

L

Aby przez tranzystor MOS

mógł płynąć prąd |V

GS

| > |V

T

|

0  V

DD

C

L

S

D

0

PMOS

Vin

Vout

VSS

VSS

V

DD



V

T

C

L

D

S

0

Rozładowanie obciążenia C

L

Przy ładowaniu kondensatora C

L

napięcie V

GS

jest cały

czas stałe i wynosi -V

DD

dlatego kondensator będzie

się ładował aż uzyska napięcie V

DD

(czyli do momentu,

gdy V

DS

= 0).

Przy rozładowaniu kondensatora kondensatora C

L

napięcie V

GS

zmniejsza się od V

DD

do momentu, kiedy

przestanie płynąć prąd drenu (czyli do momentu, gdy

V

GS

= V

T

).

Tranzystor PMOS dobrze przewodzi wysokie napięcie i gorzej niskie

napięcie (V

T

)

Tranzystor PMOS źle przewodzi logiczne zero