3 października 2012

Wojciech Kucewicz

1

3 października 2012

Wojciech Kucewicz

2

Tranzystory

Tranzystory

3 października 2012

Wojciech Kucewicz

3

Struktura

MOS

Struktura

MOS

3 października 2012

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

++

++

3 października 2012

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

--

--

3 października 2012

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

++

3 października 2012

Wojciech Kucewicz

7

Tranzystor

MOS

Tranzystor

MOS

3 października 2012

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

3 października 2012

G

D

S

Symbol tranzystora

nMOS

3 października 2012

G

D

S

Symbol tranzystora

pMOS

p

3 października 2012

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

3 października 2012

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

3 października 2012

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.

3 października 2012

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

3 października 2012

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).

3 października 2012

Wojciech Kucewicz

14

Napięcie progowe

Napięcie progowe

3 października 2012

Wojciech Kucewicz

15

Tranzystor nMOS

Tranzystor nMOS

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.

Napięcie progowe V

T

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 ()

grubości dielektryka pod bramką (t

ox

)

domieszkowania podłoża (N

a

)

jakości styku krzem-dielektryk

napięcia pomiędzy źródłem i podłożem (V

bs

)

3 października 2012

Wojciech Kucewicz

16

Napięcie progowe nMOS

Napięcie progowe nMOS

gdzie

V

T0

jest napięciem progowym przy polaryzacji podłoża V

SB

= 0 i zależy

głównie od procesu technologicznego

jest potencjałem Fermiego



T

= kT/q = 26mV przy 300K potencjał termiczny; N

A

koncentracja akceptorów; n

i



1.5x10

10

cm

-3

przy 300K koncentracja nośników samoistnych)

współczynnik podłożowy

(efekt zmian V

SB

)



si

= 1.053x10

-10

F/m przenikalność elektryczna krzemu;



ox

= 3.5x10

-11

F/m przenikalność elektryczna tlenku krzemu;

Napięcie progowe

V

T

zależy od: grubości tlenku pod bramką

C

ox

, napięcia

Fermiego



F

, domieszkowania podłoża

N

A

.

V





F

SB

F

T

V

V

V



















2

2





















i

A

T

F

n

N

ln

A

Si

ox

ox

N

q

t























2

3 października 2012

Wojciech Kucewicz

17

Charakterystyki

Charakterystyki

3 października 2012

Wojciech Kucewicz

18

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









3 października 2012

Wojciech Kucewicz – Techniki impulsowe i cyfrowe

19

Prąd drenu

Prąd drenu

W rzeczywistości prąd drenu płynie również przy napięciu na bramce niższym

niż napięcie progowe.

Wykres przedstawia rzeczywisty prąd drenu przy stałym napięciu V

DS

3 października 2012

Wojciech Kucewicz

20

Parametry prądu drenu I

D

Parametry prądu drenu I

D

Dla stałego napięcia V

DS

i V

GS

(> V

T

), I

DS

jest funkcją:



długości kanału–

L



szerokości kanału–

W



napięcia progowego–

V

T



grubości tlenku SiO

2

–

t

ox



przenikalności elektrycznej (SiO

2

) –



ox



ruchliwości nośników

for NMOS:



n

= 500 cm

2

/Vsec

for PMOS:



p

= 180 cm

2

/Vsec

3 października 2012

Wojciech Kucewicz

21

Charakterystyka I

D

= f(V

DS

) nMOS

Charakterystyka I

D

= f(V

DS

) nMOS

I

D

[A]

Cut-off

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

Quadratic dependence

3 października 2012

Wojciech Kucewicz

22

Efekt krótkiego

kanału

Efekt krótkiego

kanału

3 października 2012

Wojciech Kucewicz

23

Efekt krótkiego kanału

Efekt krótkiego kanału

0

10

0

1,5

3

Przy małych natężeniach pola elektrycznego

(E < E

c

) prędkość przemieszczania się

ładunku jest proporcjonalna do pola

elektrycznego

Przy polu elektrycznym E > E

c

prędkość

przemieszczania jest stała

Przyczyną tzw. efektu krótkiego kanału jest skończona prędkość

przemieszczania się ładunku w materii 

sat

w polu elektrycznym.

Prędkość nośników nasyca się z powodu ich rozpraszania wskutek

zderzeń w strukturze kryształu.

E(V/m)

E

c

=

5

E

E

E

1

E

c













2

E

c

sat







3 października 2012

Wojciech Kucewicz

24

Efekt krótkiego kanału

Efekt krótkiego kanału

0

10

0

1,5

3

Porównajmy pole elektryczne wzdłuż kanału tranzystora nMOS w

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

stałym napięciu U

DS

= 2,5 V.

E(V/m)

E

c

=

5

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

3 października 2012

Wojciech Kucewicz

25

Charakterystyki

Charakterystyki

Zależności na wyliczenie prądu drenu muszą być skorygowane.

W pierwszym przybliżeniu zachowanie tranzystora nMOS można zapisać:



































































2

V

V

V

W

C

2

V

V

V

V

1

1

;

0

I

DSat

T

GS

ox

sat

2

DS

DS

T

GS

DSat

V

DS

V

D

Zakres odcięcia

Zakres liniowy

Zakres nasycenia

T

GS

DS

V

V

V







0

sat

c

DSat

DS

T

GS

L

E

L

V

V

V

V

0

















0





T

GS

V

V

gdzie - wzmocnienie

tranzystora,

zależy od parametrów

technologicznych i wymiarów tranzystora

L

W

t

ox









3 października 2012

Wojciech Kucewicz

26

Efekt krótkiego kanału

Efekt krótkiego kanału

NMOS transistor, 0.25um,

L

d

= 0.25um

, W/L = 1.5, V

DD

= 2.5V, V

T

= 0.4V

I

D

[A]

V

DS

[V]

Linear

dependence

3 października 2012

Wojciech Kucewicz

27

Efekt krótkiego kanału

Efekt krótkiego kanału

PMOS transistor, 0.25um,

L

d

= 0.25um

, W/L = 1.5, V

DD

= -2.5V, V

T

= -0.4V

W tranzystorze pMOS wszystkie prądy i napięcia są

przeciwnego znaku niż w tranzystorze nMOS

V

DS

[V]

I

D

[A]

Ze względu na mniejszą

ruchliwość dziur, prąd

drenu jest mniejszy i

stanowi tylko 42 % prądu

drenu podobnego

tranzystora nMOS

3 października 2012

Wojciech Kucewicz

28

0

10

Charakterystyki I

D

vs. V

DS

Charakterystyki I

D

vs. V

DS

Tranzystor z krótkim kanałem ma

znacznie węższy obszar pracy

liniowej.

( Oba tranzystory: 0.25um, V

DS

= 2.5V, W/L = 1.5, V

T

= 0,4 V)

Prąd drenu w tranzystorze nMOS z długim i krótkim kanałem

I

D

V

DS

Tranzystor z krótkim kanałem osiąga

mniejsze prądy drenu.

3 października 2012

Wojciech Kucewicz

29

Pojemności

pasożytnicze

MOS

Pojemności

pasożytnicze

MOS

3 października 2012

Wojciech Kucewicz

30

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

3 października 2012

Wojciech Kucewicz

31

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

3 października 2012

Wojciech Kucewicz

32

Tranzystor MOS

jako

przełącznik

Tranzystor MOS

jako

przełącznik

3 października 2012

Wojciech Kucewicz

33

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

3 października 2012

Wojciech Kucewicz

34

V

DD

V

DD

V

SS

V

SS

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

3 października 2012

Wojciech Kucewicz

35

Logiczny sygnał wejściowy

Logiczny sygnał wyjściowy

Przełącznik

Tranzystor NMOS dobrze przewodzi niskie napięcie i gorzej wysokie

napięcie (V

DD

-V

T

)

Tranzystor NMOS źle przewodzi logiczną jedynkę

NMOS jak przełącznik

NMOS jak przełącznik

V

DS

V

GS

V

sorce

3 października 2012

Wojciech Kucewicz

36

V

DD

V

DD

V

SS

V

SS

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

3 października 2012

Wojciech Kucewicz

37

Logiczny sygnał wejściowy

Logiczny sygnał wyjściowy

Przełącznik

Tranzystor PMOS dobrze przewodzi wysokie napięcie i gorzej niskie napięcie

(V

T

)

Tranzystor PMOS źle przewodzi logiczne zero

PMOS jak przełącznik

PMOS jak przełącznik

V

DS

V

GS

V

sorce