Microsoft PowerPoint - E6Tranzystor MOS.pptx

Struktura MOS typu n

((Metal

Metal--Oxide

Oxide--Semiconductor

Semiconductor

))

Struktura MOS typu n

((Metal

Metal--Oxide

Oxide--Semiconductor

Semiconductor

))

((

))

((

))

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

----

++++

Oxide

Semiconductor

----

++++

Semiconductor

6 marca 2011

Wojciech Kucewicz

Struktura MOS typu n

((Metal

Metal--Oxide

Oxide--Semiconductor

Semiconductor

))

Struktura MOS typu n

((Metal

Metal--Oxide

Oxide--Semiconductor

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

) ilość

p y ąg y

y p

p ę

( p ę

p g

)

elektronów przy powierzchni półprzewodnika zrówna się z ilością dziur.

Przy napięciu |U| > |U

| pod tlenkiem zaczną przeważać dziury i powstanie

kanał typu p ( tzw. warstwa inwersyjna)

M t l

++++

----

++++

Metal

Oxide

Kanał typu p

----

++++

Semiconductor

6 marca 2011

Wojciech Kucewicz

Struktura MOS typu p

((Metal

Metal--Oxide

Oxide--Semiconductor

Semiconductor

))

Struktura MOS typu p

((Metal

Metal--Oxide

Oxide--Semiconductor

Semiconductor

))

((

))

((

))

W strukturze MOS typu p mechanizm jest podobny tylko do okładki

metalowej przykładamy napięcie dodatnie, a pod tlenkiem tworzy się kanał

typu n

M t l

----

++++

----

Metal

Oxide

+ + + + + + + + + + +

Kanał typu n

++++

----

Semiconductor

++++

6 marca 2011

Wojciech Kucewicz

Tranzystor unipolarny typu MOSFET

P +

Tranzystor normalnie wyłączony (

Tranzystor normalnie wyłączony ( tr

tr. z kanałem wzbogacanym)

. z kanałem wzbogacanym)

P +

6 marca 2011

Wojciech Kucewicz

Tranzystor normalnie włączony (

Tranzystor normalnie włączony ( tr

tr. z kanałem zubożanym)

. z kanałem zubożanym)

Tranzystor

Tranzystor pMOS

pMOS

Tranzystor

Tranzystor pMOS

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

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

Źródło Bramka Dren

Source

Gate

Drain

Symbol tranzystora

nMOS

Symbol tranzystora

pMOS

BBulk

6 marca 2011

Wojciech Kucewicz

6 marca 2011

Tranzystor

Tranzystor nMOS

nMOS

Tranzystor

Tranzystor nMOS

nMOS

== 00

1133

----

++++

----

++++

----

Kanał w tranzystorze nMOS powstaje po przyłożeniu do bramki napięcia

bramki napięcia

dodatniego względem źródła

dodatniego względem źródła.

6 marca 2011

Wojciech Kucewicz

Kanał w tranzystorze pMOS powstaje po przyłożeniu do bramki napięcia

ujemnego względem źródła.

Tranzystor

Tranzystor nMOS

nMOS

Tranzystor

Tranzystor nMOS

nMOS

== 00

1133

== 33

----

++++

----

++++

Po przyłożeniu napięcia pomiędzy źródłem i drenem w kanale płynie prąd

6 marca 2011

Wojciech Kucewicz

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

Jednocześnie kanał zaczyna się zawężać od strony drenu (mniejszy

potencjał bramki względem drenu)

Tranzystor nMOSFET

== 00

1133

== 33

----

++++

----

++++

Wyróżniamy trzy zakresy pracy tranzystora: zakres odcięcia

odcięcia (przy napięciu

6 marca 2011

Wojciech Kucewicz

Wyróżniamy trzy zakresy pracy tranzystora: zakres odcięcia

odcięcia (przy napięciu

bramki poniżej napięcia U

), zakres liniowy

liniowy (przed ściśnięciem kanału) i

zakres nasycenia

nasycenia (po ściśnięciu kanału).

Tranzystor

Tranzystor nMOS

nMOS

Tranzystor

Tranzystor nMOS

nMOS

Kanał w tranzystorze nMOS powstaje po przyłożeniu do bramki napięcia

bramki napięcia

dodatniego względem źródła

dodatniego względem źródła.

g ę m

Kanał w tranzystorze pMOS powstaje po przyłożeniu do bramki napięcia

bramki napięcia

ujemnego względem źródła

ujemnego względem źródła.

Napięcie progowe V

jest to takie napięcie, przyłożone do bramki, przy

którym zaczyna powstawać kanał (poniżej tego napięcia prąd drenu spada do

zera).

Napięcie progowe zależy od:

rodzaju dielektryka pod bramką (ε)

b ś i di l kt k p d b mk (t )

grubości dielektryka pod bramką (t

)

domieszkowania podłoża (N

)

jakości styku krzem-dielektryk

napięcia pomiędzy źródłem i podłożem (V )

6 marca 2011

Wojciech Kucewicz

napięcia pomiędzy źródłem i podłożem (V

)

Napięcie progowe

Napięcie progowe nMOS

nMOS

Napięcie progowe

Napięcie progowe nMOS

nMOS

Napięcie progowe

zależy od: grubości tlenku pod bramką

, napięcia

Fermiego

ϕϕ

, domieszkowania podłoża

. .

(

)

−

gdzie

jest napięciem progowym przy polaryzacji podłoża

jest napięciem progowym przy polaryzacji podłoża VV

= 0

= 0 i zależy

i zależy

głównie od procesu technologicznego

(

)

głównie od procesu technologicznego

jest potencjałem Fermiego

φφ

= kT

kT/q = 26mV

/q = 26mV przy

przy 300K

300K potencjał termiczny

potencjał termiczny; ; N

koncentracja akceptorów

koncentracja akceptorów;; nn

≈≈

1.5x10

--33

300K

300K k

j ś ikó i t

h))

⋅

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

przy

przy 300K

300K koncentracja nośników samoistnych

koncentracja nośników samoistnych))

współczynnik podłożowy

((efekt zmian

efekt zmian VV

) )

εε

== 1 053x10

1 053x10

--10

F/m

F/m przenikalność elektryczna krzemu

przenikalność elektryczna krzemu;;

⋅

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

6 marca 2011

Wojciech Kucewicz

εε

== 1.053x10

1.053x10

F/m

F/m przenikalność elektryczna krzemu

przenikalność elektryczna krzemu;;

εε

== 3.5x10

3.5x10

--11

F/m

F/m przenikalność elektryczna tlenku krzemu

przenikalność elektryczna tlenku krzemu;;

Charakterystyki

Wyróżniamy trzy zakresy pracy tranzystora: zakres odcięcia

odcięcia (przy napięciu

bramki poniżej napięcia U

), zakres liniowy

liniowy (przed ściśnięciem kanału) i

zakres nasycenia

nasycenia (po ściśnięciu kanału)

zakres nasycenia

nasycenia (po ściśnięciu kanału).

W pierwszym przybliżeniu zachowanie tranzystora nMOS można zapisać:

(

)

⎪

⎧

⎤

⎡

;

Zakres odcięcia

≤

−

(

)

(

)

⎪

⎨

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

Zakres liniowy

−

(

)

⎪⎩

−

Zakres nasycenia

−

6 marca 2011

Wojciech Kucewicz

gdzie - wzmocnienie

tranzystora,

zależy od parametrów

technologicznych i wymiarów tranzystora

⋅

με

Parametry prądu drenu I

Dla stałego napięcia

Dla stałego napięcia VV

ii VV

(> V

), I

jest funkcją:

długości kanału

długości kanału––

szerokości kanału

szerokości kanału––

napięcia progowego

napięcia progowego––

grubości tlenku

grubości tlenku SiO

SiO

––

ik l ś i l kt

j (SiO

(SiO ) )

przenikalności elektrycznej

przenikalności elektrycznej (SiO

(SiO

) ) ––

εε

ruchliwości nośników

for

for NMOS

NMOS::

μμ

= 500 cm

//Vsec

Vsec

for

for NMOS

NMOS::

μμ

= 500 cm

//Vsec

Vsec

for

for PMOS

PMOS: :

μμ

= 180 cm

//Vsec

Vsec

6 marca 2011

Wojciech Kucewicz

Charakterystyka I

= f(V

)

) nMOS

nMOS

Charakterystyka I

= f(V

)

) nMOS

nMOS

[A]

endenceendence

Linear

Saturation

atic atic dep

dep

QuadQuadr

Cut

Cut--off

off

[V]

6 marca 2011

Wojciech Kucewicz

[V]

NMOS transistor, 0.25

NMOS transistor, 0.25 μμm, L

m, L

= 10

= 10μμm, W/L = 1.5, V

m, W/L = 1.5, V

= 2.5V, V

= 0.4V

Efekt krótkiego kanału

Przyczyną tzw. efektu krótkiego kanału jest skończona prędkość

przemieszczania się ładunku w materii

przemieszczania się ładunku w materii υυ

sat

w polu elektrycznym.

Przy małych natężeniach pola elektrycznego

Prędkość nośników nasyca się z powodu ich rozpraszania wskutek

zderzeń w strukturze kryształu.

Przy małych natężeniach pola elektrycznego

(E <

(E < EE

) prędkość przemieszczania się

ładunku jest proporcjonalna do pola

elektrycznego

≈

Przy polu elektrycznym E >

Przy polu elektrycznym E > EE

prędkość

≈

przemieszczania jest stała

sat

6 marca 2011

Wojciech Kucewicz

1,5

E(V/μm)

sat

Efekt krótkiego kanału

Porównajmy pole elektryczne wzdłuż kanału tranzystora

Porównajmy pole elektryczne wzdłuż kanału tranzystora nMOS

nMOS w

technologii 0,25µm, o różnych długościach kanału (10 µm i 1 µm) przy

t ł

i i U

t ł

i i U

2 5 V

stałym napięciu U

= 2,5 V.

Pole elektryczne w pierwszym

przypadku:

E = 2,5 V/10 µm = 0,25 V/µm

Pole elektryczne w drugim

przypadku:

E = 2,5 V/1 µm = 2,5 V/µm

6 marca 2011

Wojciech Kucewicz

1,5

E(V/μm)

Charakterystyki

Zależności na wyliczenie prądu drenu muszą być skorygowane.

W pierwszym przybliżeniu zachowanie tranzystora nMOS można zapisać:

⎪

⎧

(

)

⎪

⎨

⎥

⎤

⎢

⎡

;

Zakres odcięcia

≤

−

(

)

⎪

⎨

⎟⎟

⎞

⎜⎜

⎛

⎥

⎦

⎢

⎣

−

DSat

Zakres liniowy

−

⎪

⎪
⎩

⎟⎟

⎠

⎜⎜

⎝

−

sat

Zakres nasycenia

sat

DSat

⋅

−

6 marca 2011

Wojciech Kucewicz

gdzie - wzmocnienie

tranzystora,

zależy od parametrów

technologicznych i wymiarów tranzystora

⋅

με

Efekt krótkiego kanału

[[A

A]]

ndencendence

earear

depe

Lin

e
Lin

[[VV]]

6 marca 2011

Wojciech Kucewicz

NMOS transistor, 0.25um,

= 0.25um

, W/L = 1.5, V

= 2.5V, V

= 0.4V

Efekt krótkiego kanału

W tranzystorze

W tranzystorze pMOS

pMOS wszystkie prądy i napięcia są

wszystkie prądy i napięcia są

przeciwnego znaku niż w tranzystorze

przeciwnego znaku niż w tranzystorze nMOS

nMOS

[[VV]]

Ze względu na mniejszą

ruchliwość dziur, prąd

drenu jest mniejszy i

stanowi tylko 42 % prądu

drenu podobnego

tranzystora

tranzystora nMOS

nMOS

[[A

A]]

6 marca 2011

Wojciech Kucewicz

PPMOS transistor, 0.25um,

MOS transistor, 0.25um,

= 0.25um

, W/L = 1.5, V

= --2.5V, V

2.5V, V

= --0.4V

0.4V

Charakterystyki I

vs. V

. V

Charakterystyki I

vs. V

. V

Prąd drenu w tranzystorze

Prąd drenu w tranzystorze nMOS

nMOS z długim i krótkim kanałem

z długim i krótkim kanałem

Tranzystor z krótkim kanałem osiąga

mniejsze prądy drenu.

Tranzystor z krótkim kanałem ma

znacznie węższy obszar pracy

liniowej

liniowej.

6 marca 2011

Wojciech Kucewicz

(( Oba tranzystory:

Oba tranzystory: 0.25um

0.25um,, VV

= 2.5V,

= 2.5V, W/L =

W/L = 1.5

1.5, V

, V

= 0,4 V

= 0,4 V))

Pojemności pasożytnicze tranzystora

MOS

Pojemności pasożytnicze tranzystora

MOS

Rodzaje pojemności pasożytniczych:

1 Pojemność bramki C

1. Pojemność bramki C

2. Pojemność złącz pn C

i C

3. Pojemność zakładek bramki nad

źródłem i drenem C

i C

Source

Gate

Drain

źródłem i drenem C

i C

BB lk

6 marca 2011

Wojciech Kucewicz

BBulk

Pojemności pasożytnicze tranzystora

MOS

Pojemności pasożytnicze tranzystora

MOS

Parametry przykładowego tranzystora nMOS:

= 6 nm,

= 0.24 μm,

= 0.36 μm,

= 0.625 μm,

= 3 x10

–10

F/m,

= 2 x10

–3

F/m

jsw0

= 2.75 x10

–10

F/m.

O 25

O 25 μμm

jsw

O.25

O.25 μμm

[fC/

[fC/ μμm

]]

[fC/

[fC/ μμm]

[fC/

[fC/ μμm

]]

[fC/

[fC/ μμm]

NMOS

0.31

0.28

= ε

LW/t

0.5fF

PMOS

0.27

1.9

0.22

= C

= C

W =

0.1

0.1 fF

= C

= C

S,D

jsw0

(W+2L

D,S

)=0.45fF+0.44fF=

0.89

0.89 fF

6 marca 2011

Wojciech Kucewicz

MOS jak przełącznik

Tranzystor MOS może być traktowany jako przełącznik z nieskończoną

rezystancją w stanie wyłączonym i rezystancją

rezystancją w stanie wyłączonym i rezystancją RR

w stanie włączonym

Rezystancja jest odwrotnie

proporcjonalna do stosunku

proporcjonalna do stosunku W/L

W/L

((podwojenie

podwojenie W

W zmniejsza o połowę

zmniejsza o połowę RR

))

((p

))

Dla

Dla VV

>>V

++VV

DSat

/2, R

nie zależy od

Gdy

Gdy VV

obniży się do

obniży się do VV

,, RR

gwałtownie rośnie

6 marca 2011

Wojciech Kucewicz

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

= --0.4V

0.4V

NMOS jak przełącznik

Logiczny sygnał wejściowy

Przełącznik

Logiczny sygnał wyjściowy

sorce

Tranzystor

Tranzystor NMOS

NMOS dobrze

dobrze przewodzi

przewodzi niskie

niskie napięcie

napięcie ii gorzej

gorzej wysokie

wysokie

napięcie

napięcie ((VV

--VV

))

6 marca 2011

Wojciech Kucewicz

Tranzystor

Tranzystor NMOS

NMOS źle

źle przewodzi

przewodzi logiczną

logiczną jedynkę

jedynkę

PMOS jak przełącznik

Logiczny sygnał wejściowy

Przełącznik

Logiczny sygnał wyjściowy

sorce

Tranzystor

Tranzystor PMOS

PMOS dobrze

dobrze przewodzi

przewodzi wysokie

wysokie napięcie

napięcie ii gorzej

gorzej niskie

niskie napięcie

napięcie

))

6 marca 2011

Wojciech Kucewicz

Tranzystor

Tranzystor PMOS

PMOS źle

źle przewodzi

przewodzi logiczne

logiczne zero

zero