Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory
25 marca 2008 Tranzystor 1
Tranzystor
Tranzystor
Tranzystor
Bipolarny
Bipolarny
Bipolarny
25 marca 2008 Tranzystor 2
Tranzystor bipolarny
Tranzystor bipolarny
Tranzystor bipolarny
Tranzystor bipolarny jest trójelektrodowym przyrządem
Tranzystor bipolarny jest trójelektrodowym przyrządem
półprzewodnikowym zbudowanym z dwóch złączy p-n lub n-p
półprzewodnikowym zbudowanym z dwóch złączy p-n lub n-p
wykonanych w jednym krysztale, o strukturze n-p-n lub p-n-p.
wykonanych w jednym krysztale, o strukturze n-p-n lub p-n-p.
Oba złącza p-n tranzystora bipolarnego są sprzężone poprzez cienki
Oba złącza p-n tranzystora bipolarnego są sprzężone poprzez cienki
obszar, nazywany bazÄ…. Baza ma odmienny typ przewodnictwa od
obszar, nazywany bazÄ…. Baza ma odmienny typ przewodnictwa od
pozostałych obszarów, które noszą nazwy: emiter i kolektor.
pozostałych obszarów, które noszą nazwy: emiter i kolektor.
Emiter Baza Kolector
Emiter Baza Kolector
E B C
E B C
n p n
n p n
p
p
p+
p+
25 marca 2008 Tranzystor 3
Tranzystor bipolarny
Tranzystor bipolarny
Tranzystor bipolarny
Tranzystor bipolarny jest trójelektrodowym przyrządem
Tranzystor bipolarny jest trójelektrodowym przyrządem
półprzewodnikowym zbudowanym z dwóch złączy p-n lub n-p
półprzewodnikowym zbudowanym z dwóch złączy p-n lub n-p
wykonanych w jednym krysztale, o strukturze n-p-n lub p-n-p.
wykonanych w jednym krysztale, o strukturze n-p-n lub p-n-p.
Przez złącza płyną prądy obu typów nośników: elektronów i dziur -
Przez złącza płyną prądy obu typów nośników: elektronów i dziur -
stąd określenie: tranzystor bipolarny.
stąd określenie: tranzystor bipolarny.
Emiter Baza Kolector
Emiter Baza Kolector
E B C
E B C
n p n
n p n
p
p
p+
p+
25 marca 2008 Tranzystor 4
Tranzystor bipolarny
Tranzystor bipolarny
Tranzystor bipolarny
Emiter Baza Kolektor
Emiter Baza Kolektor
Emiter n+
0,2 źm Emiter n+
0,2 źm
Baza p
Baza p
1 źm
1 źm
Warstwa epitaksjalna n
Warstwa epitaksjalna n
5 źm
5 źm
500 źm
500 źm
Podłoże n+
Podłoże n+
25 marca 2008 Tranzystor 5
Tranzystor bipolarny
Tranzystor bipolarny
Tranzystor bipolarny
Tranzystor bipolarny oznacza się symbolami zależnymi od typu:
Tranzystor bipolarny oznacza się symbolami zależnymi od typu:
n-p-n lub p-n-p.
n-p-n lub p-n-p.
Tranzystor npn Tranzystor pnp
Tranzystor npn Tranzystor pnp
C C
C C
B B
B B
E E
E E
E B C E B C
E B C E B C
n p n p n p
n p n p n p
p n
p n
p+ n+
p+ n+
25 marca 2008 Tranzystor 6
Tranzystor bipolarny
Tranzystor bipolarny
Tranzystor bipolarny
W tranzystorze o strukturze n-p-n (w bazie) nośnikami prądu
W tranzystorze o strukturze n-p-n (w bazie) nośnikami prądu
większościowymi są dziury, a mniejszościowymi - elektrony.
większościowymi są dziury, a mniejszościowymi - elektrony.
n p n
n p n
p
p
p+
p+
W tranzystorze o strukturze p-n-p (w bazie) nośnikami prądu
W tranzystorze o strukturze p-n-p (w bazie) nośnikami prądu
większościowymi są elektrony, a mniejszościowymi  dziury.
większościowymi są elektrony, a mniejszościowymi  dziury.
p n p
p n p
n
n
n+
n+
25 marca 2008 Tranzystor 7
Tranzystor bipolarny
Tranzystor bipolarny
Tranzystor bipolarny
Konfiguracje pracy tranzystora
Konfiguracje pracy tranzystora
OB OE OC
C E
E C
B
B
uO
uO
uIN uO
uIN
uIN
B E C
Stany pracy tranzystora:
Stany pracy tranzystora:
-aktywny normalny,
-aktywny normalny,
-nasycenia,
-nasycenia,
-aktywny inwersyjny
-aktywny inwersyjny
-odcięcia (zatkania).
-odcięcia (zatkania).
25 marca 2008 Tranzystor 8
Właściwości tranzystora bipolarnego w
Właściwości tranzystora bipolarnego w
Właściwości tranzystora bipolarnego w
stanie aktywnym
stanie aktywnym
stanie aktywnym
1. Dla tranzystora n-p-n potencjał kolektora musi być większy od
1. Dla tranzystora n-p-n potencjał kolektora musi być większy od
potencjału emitera, dla p-n-p potencjał kolektora musi być niższy od
potencjału emitera, dla p-n-p potencjał kolektora musi być niższy od
potencjału emitera
potencjału emitera
2. Obwody: baza-emiter i baza-kolektor zachowujÄ… siÄ™ jak diody.
2. Obwody: baza-emiter i baza-kolektor zachowujÄ… siÄ™ jak diody.
W warunkach normalnej pracy obwód baza-emiter jest
W warunkach normalnej pracy obwód baza-emiter jest
spolaryzowany w kierunku przewodzenia, a obwód baza-kolektor  w
spolaryzowany w kierunku przewodzenia, a obwód baza-kolektor  w
kierunku zaporowym.
kierunku zaporowym.
pnp
pnp
npn
npn
C
C
C
C
-
-
+
+
C
C
C
C
+
+
-
-
B B
B B
B
B
E
E
-
-
E
E
+
+
+
+
-
-
E
E
E
E
25 marca 2008 Tranzystor 9
Właściwości tranzystora bipolarnego w
Właściwości tranzystora bipolarnego w
Właściwości tranzystora bipolarnego w
stanie aktywnym
stanie aktywnym
stanie aktywnym
3. Tranzystor charakteryzuje się maksymalnymi wielkościami
3. Tranzystor charakteryzuje się maksymalnymi wielkościami
IC, IB i UCE . Przekroczenie tych wartości jest równoznaczne ze
IC, IB i UCE . Przekroczenie tych wartości jest równoznaczne ze
zniszczeniem tranzystora.
zniszczeniem tranzystora.
4. Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą
4. Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą
się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE.
się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE.
IE = IB + IC
IE = IB + IC
4. Spełniając powyższe warunki, prąd IC jest w przybliżeniu
4. Spełniając powyższe warunki, prąd IC jest w przybliżeniu
proporcjonalny do IB i opisany równaniem:
proporcjonalny do IB i opisany równaniem:
IC = h21 IB = ² IB
IC = h21 IB = ² IB
gdzie: h21 = ²  staÅ‚oprÄ…dowy współczynnik wzmocnienia
gdzie: h21 = ²  staÅ‚oprÄ…dowy współczynnik wzmocnienia
prÄ…dowego prÄ…du bazy.
prÄ…dowego prÄ…du bazy.
25 marca 2008 Tranzystor 10
Właściwości tranzystora bipolarnego w
Właściwości tranzystora bipolarnego w
Właściwości tranzystora bipolarnego w
stanie aktywnym
stanie aktywnym
stanie aktywnym
Ogólnie w tranzystorze:
Ogólnie w tranzystorze:
IE = IB + IC = IB + ² IB = (1+²) IB
IE = IB + IC = IB + ² IB = (1+²) IB
²= 50  300
²= 50  300
25 marca 2008 Tranzystor 11
Rodzina charakterystyk tranzystora
Rodzina charakterystyk tranzystora
Rodzina charakterystyk tranzystora
bipolarnego
bipolarnego
bipolarnego
Charakterystyki Charakterystyki wyjściowe
Charakterystyki Charakterystyki wyjściowe
przejściowe IC= f(IB)Uce IC= f(UCE)Ib
przejściowe IC= f(IB)Uce IC= f(UCE)Ib
Charakterystyki zwrotne
Charakterystyki zwrotne
Charakterystyki
Charakterystyki
UBE= f(UCE)Ib
UBE= f(UCE)Ib
wejściowe UBE= f(IB)Uce
wejściowe UBE= f(IB)Uce
25 marca 2008 Tranzystor 12
Działanie tranzystora bipolarnego
Działanie tranzystora bipolarnego
Działanie tranzystora bipolarnego
w zakresie aktywnym
w zakresie aktywnym
w zakresie aktywnym
Kolektor
Napięcie
Baza
Napięcie
czas
0 czas
0
0
0
Emiter
25 marca 2008 Tranzystor 13
Działanie tranzystora bipolarnego
Działanie tranzystora bipolarnego
Działanie tranzystora bipolarnego
poza zakresem aktywnym
poza zakresem aktywnym
poza zakresem aktywnym
Wysoki poziom napięcia  1
Wysoki poziom napięcia  1
Wysoki poziom napięcia  1
Wysoki poziom napięcia  1
Kolektor
Baza
Napięcie
Napięcie
czas
czas
Emiter
Niski poziom napięcia  0 Niski poziom napięcia  0
Niski poziom napięcia  0 Niski poziom napięcia  0
25 marca 2008 Tranzystor 14
Tranzystor MOS
Tranzystor MOS
Tranzystor MOS
zasada działania
zasada działania
zasada działania
i podstawowe
i podstawowe
i podstawowe
własności
własności
własności
25 marca 2008 Tranzystor 15
Tranzystor unipolarny
Tranzystor unipolarny
Tranzystor unipolarny
typu FET (field effect transistor)
typu FET (field effect transistor)
typu FET (field effect transistor)
G - BRAMKA
P+
S -y
RÓDA
O
D - DREN
N
P+
D
D
G
G
S
S
SYMBOL TRANZYSTORA POLOWEGO
SYMBOL TRANZYSTORA POLOWEGO
Z KANAA
EM TYPU P
Z KANAA
EM TYPU N
+
-
-
+
25 marca 2008 Tranzystor 16
Tranzystor unipolarny
Tranzystor unipolarny
Tranzystor unipolarny
typu FET (field effect transistor)
typu FET (field effect transistor)
typu FET (field effect transistor)
G - B R A M K A
P +
S - y
R Ó D A
O
D - D R E N
N
P +
P +
N
P +
P +
N
P +
Obszar
Obszar
aktywny
aktywny
Obszar
Obszar
nasycenia
nasycenia
Obszar odcięcia
Obszar odcięcia
Napięcie Dren-y
ródło
Napięcie Dren-y
ródło
25 marca 2008 Tranzystor 17
Napięcie bramki
Napięcie bramki
PrÄ…d Drenu
PrÄ…d Drenu
Tranzystor unipolarny typu MOSFET
Tranzystor unipolarny typu MOSFET
Tranzystor unipolarny typu MOSFET
(metal-oxide-semiconductor FET)
(metal-oxide-semiconductor FET)
(metal-oxide-semiconductor FET)
S - y
R Ó D A
O G - B R A M K A
D - D R E N
P +
P +
D
G
N
S
S Y M B O L T R A N Z Y S T O R A P O L O W E G O M O S
Z K A N A A
E M T Y P U P
Tranzystor normalnie włączony ( tr. z kanałem zubożanym)
S - y
R Ó D A
O G - B R A M K A
D - D R E N
P +
P +
D
G
N
S
S Y M B O L T R A N Z Y S T O R A P O L O W E G O M O S
Z K A N A A
E M T Y P U N
Tranzystor normalnie wyłączony ( tr. z kanałem wzbogacanym)
25 marca 2008 Tranzystor 18
MOSFET Tranzystor
MOSFET Tranzystor
MOSFET Tranzystor
(metal-oxide-semiconductor FET)
(metal-oxide-semiconductor FET)
(metal-oxide-semiconductor FET)
Cross-section of NMOS Transistor
Cross-section of NMOS Transistor
25 marca 2008 Tranzystor 19
MOSFET Tranzystor
MOSFET Tranzystor
MOSFET Tranzystor
(metal-oxide-semiconductor FET)
(metal-oxide-semiconductor FET)
(metal-oxide-semiconductor FET)
Cross-section of NMOS Transistor
Cross-section of NMOS Transistor
W
W
L
L
G G
S D S D
W  width of channel
W  width of channel
B
L - length of channel
L - length of channel
NMOS transistor symbol
NMOS transistor symbol
25 marca 2008 Tranzystor 20
MOSFET Tranzystor
MOSFET Tranzystor
MOSFET Tranzystor
(metal-oxide-semiconductor FET)
(metal-oxide-semiconductor FET)
(metal-oxide-semiconductor FET)
Cross-section of PMOS Transistor
Cross-section of PMOS Transistor
G G
S D S D
B
PMOS transistor symbol
PMOS transistor symbol
25 marca 2008 Tranzystor 21
Threshold Voltage
Threshold Voltage
25 marca 2008 Tranzystor 22
The Threshold Voltage
The Threshold Voltage
The Threshold Voltage
- VGS +
Gate
Source
Drain
n+
n+
p Bulk
n channel
n channel
25 marca 2008 Tranzystor 23
The Threshold Voltage
The Threshold Voltage
The Threshold Voltage
- VGS +
Gate
Source
Drain
n+
n+
p Bulk
n-channel
n-channel
25 marca 2008 Tranzystor 24
Tranzystor nMOSFET
Tranzystor nMOSFET
Tranzystor nMOSFET
UDS = 0
UDS = 0
1
3
UGS = 0
1
3
UGS = 0
- + - + -
- + - + -
- +
- +
+- - - - -
+- - - - -
+ + -
+ + -
-
-
-
-
- + +
- + +
+ -
n + -
n
n n
+
+
+ +
+ +
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
p
p
25 marca 2008 Tranzystor 25
The Threshold Voltage
The Threshold Voltage
The Threshold Voltage
The Threshold Voltage is function of several components: oxide thickness,
The Threshold Voltage is function of several components: oxide thickness,
Fermi voltage, charge of impurities trapped at the surface, dosage of
Fermi voltage, charge of impurities trapped at the surface, dosage of
implanted ions, etc.
implanted ions, etc.
VT = VT0 + Å‚("|-2ĆF + VSB| - "|-2ĆF|)
VT = VT0 + Å‚("|-2ĆF + VSB| - "|-2ĆF|)
where
where
VT0 is the threshold voltage at VSB = 0 and is mostly a function of the manufacturing process
VT0 is the threshold voltage at VSB = 0 and is mostly a function of the manufacturing process
ĆF = - ĆT ln(NA /ni) is the Fermi potential
ĆF = - ĆT ln(NA /ni) is the Fermi potential
ĆT = kT/q = 26mV at 300K is the thermal voltage; NA is the acceptor ion concentration; ni H"
ĆT = kT/q = 26mV at 300K is the thermal voltage; NA is the acceptor ion concentration; ni H"
1.5x1010 cm-3 at 300K is the intrinsic carrier concentration in pure silicon)
1.5x1010 cm-3 at 300K is the intrinsic carrier concentration in pure silicon)
Å‚ = "(2qµsi NA )/Cox is the body-effect coefficient (impact of changes in VSB )
Å‚ = "(2qµsi NA )/Cox is the body-effect coefficient (impact of changes in VSB )
µsi = 1.053x10-10 F/m is the permittivity of silicon;
µsi = 1.053x10-10 F/m is the permittivity of silicon;
Cox = µox/tox is the gate oxide capacitance with µox = 3.5x10-11 F/m
Cox = µox/tox is the gate oxide capacitance with µox = 3.5x10-11 F/m
25 marca 2008 Tranzystor 26
Characteristics
Characteristics
25 marca 2008 Tranzystor 27
Tranzystor nMOSFET
Tranzystor nMOSFET
Tranzystor nMOSFET
UDS = 3
10
UDS = 3
10
UGS = 3
UGS = 3
- - - - - -
- - - - - -
- -
- -
- - -- - - -
- - -- - - -
- -
- -
-
-
- +
- +
+ -
n + -
n
n n
+
+
+
+
+
+
+ +
+ +
p
p
25 marca 2008 Tranzystor 28
Transistor in Linear Mode
Transistor in Linear Mode
Transistor in Linear Mode
- VGS +
VGS > VT
VGS > VT
VGS > VT
VDS + VDS < VGS - VT
VDS < VGS - VT
VDS < VGS - VT
Gate
ID
Source
Drain
- V(x) +
n+
n+
x
p
Bulk
Induced channel charge per unit area at point x: Qi(x) = -Cox[VGS-V(x)-VT]
Induced channel charge per unit area at point x: Qi(x) = -Cox[VGS-V(x)-VT]
The current is given as the product of the drift velocity of the carriers un and the
The current is given as the product of the drift velocity of the carriers un and the
available charge. Due to charge conservation, it is a constant over the length of
available charge. Due to charge conservation, it is a constant over the length of
the channel:
the channel:
dV
ID = źn Qi (x ) Å"W
dx
25 marca 2008 Tranzystor 29
Transistor in Linear Mode
Transistor in Linear Mode
Transistor in Linear Mode
For long-channel devices (L > 0.25 micron)
For long-channel devices (L > 0.25 micron)
When VDS d" VGS  VT
When VDS d" VGS  VT
ID = źnCox W/L [(V GS  VT )VDS  VDS2 /2]
ID = źnCox W/L [(VGS  VT )VDS  VDS2 /2]
where
where
k n = źn Cox = źn µox/tox = is the process transconductance
k n = źn Cox = źn µox/tox = is the process transconductance
parameter (źn is the carrier mobility (m2/Vsec))
parameter (źn is the carrier mobility (m2/Vsec))
kn = k n W/L is the gain factor of the device
kn = k n W/L is the gain factor of the device
For small VDS , there is a linear dependence between VDS
For small VDS , there is a linear dependence between VDS
and ID , hence the name resistive or linear region
and ID , hence the name resistive or linear region
25 marca 2008 Tranzystor 30
Transistor in Saturation Mode
Transistor in Saturation Mode
Transistor in Saturation Mode
- VGS +
VDS > VGS-VT
+
Gate
ID
Source
Drain
n+
n+
VGS - VT =VDS
p
Bulk
Pinch-off
Pinch-off
When the value of the VDS is further increased to VDS=VGS-VT . At that
When the value of the VDS is further increased to VDS=VGS-VT . At that
point, the induced charge is zero, and the conducting channel disappears or
point, the induced charge is zero, and the conducting channel disappears or
is pinched off. Replacing VDS by VGS - VT yields the drain current for the
is pinched off. Replacing VDS by VGS - VT yields the drain current for the
saturation mode.
saturation mode.
25 marca 2008 Tranzystor 31
Transistor in Saturation Mode
Transistor in Saturation Mode
Transistor in Saturation Mode
For long channel devices
For long channel devices
When VDS e" VGS  VT
When VDS e" VGS  VT
ID = źnC ox/2 W/L [(VGS  VT)2]
ID = źnCox/2 W/L [(VGS  VT)2]
since the voltage difference over the induced channel
since the voltage difference over the induced channel
(from the pinch-off point to the source) remains fixed at
(from the pinch-off point to the source) remains fixed at
VGS  VT
VGS  VT
The effective length of the conductive channel is actually modulated by the
The effective length of the conductive channel is actually modulated by the
applied VDS : increasing VDS causes the depletion region at the drain junction
applied VDS : increasing VDS causes the depletion region at the drain junction
to grow, reducing the length of the effective channel.
to grow, reducing the length of the effective channel.
25 marca 2008 Tranzystor 32
ID Current Parameters
ID Current Parameters
ID Current Parameters
For a fixed VDS and VGS (> VT ), IDS is a function of
For a fixed VDS and VGS (> VT ), IDS is a function of
the distance between the source and drain  L
the distance between the source and drain  L
the channel width  W
the channel width  W
the threshold voltage  VT
the threshold voltage  VT
the thickness of the SiO2  tox
the thickness of the SiO2  tox
the dielectric of the gate insulator (SiO2 )  µox
the dielectric of the gate insulator (SiO2 )  µox
the carrier mobility
the carrier mobility
for NMOS: źn = 500 cm2/Vsec
for NMOS: źn = 500 cm2/Vsec
for PMOS: źp = 180 cm2/Vsec
for PMOS: źp = 180 cm2/Vsec
25 marca 2008 Tranzystor 33
Long Channel NMOS
Long Channel NMOS
Long Channel NMOS
ID[A]
ID[A]
Linear Saturation
Linear Saturation
Cut-off
Cut-off
VDS [V]
VDS [V]
NMOS transistor, 0.25 źm, Ld = 10źm, W/L = 1.5, VDD = 2.5V, VT = 0.4V
NMOS transistor, 0.25 źm, Ld = 10źm, W/L = 1.5, VDD = 2.5V, VT = 0.4V
25 marca 2008 Tranzystor 34
Quadratic dependence
Quadratic dependence
Short channel
Short channel
Short channel
effect
effect
effect
25 marca 2008 Tranzystor 35
Short Channel Effects
Short Channel Effects
Short Channel Effects
Behavior of short channel device mainly due to
Behavior of short channel device mainly due to
5
Åsat =105
Velocity saturation
Velocity saturation
10
 the velocity of the carriers
 the velocity of the carriers
saturates due to scattering
saturates due to scattering
(collisions suffered by the carriers)
(collisions suffered by the carriers)
- the velocity can be express by:
- the velocity can be express by:
Constant mobility
¾
(slope = ź)
¾ d" ¾ Ò! Å = ź
c
¾
¾(V/źm)
1 +
0
¾
c
01,53
¾c=
¾c=
¾
c
¾ e" ¾ Ò! Å = Å = ź
c Sat
2
For an NMOS device with L of 1źm, only a couple of volts
For an NMOS device with L of 1źm, only a couple of volts
difference between D and S are needed to reach velocity
difference between D and S are needed to reach velocity
saturation
saturation
25 marca 2008 Tranzystor 36
n
Å
(m/s)
Velocity saturation
Velocity saturation
Velocity saturation
For short channel devices
For short channel devices
Linear: When VDS d" VGS  VT
Linear: When VDS d" VGS  VT
ID = k(VDS ) k n W/L [(VGS  VT )VDS  VDS2 /2]
ID = k(VDS ) k n W/L [(VGS  VT )VDS  VDS2 /2]
where
where
k(V) = 1/(1 + (V/¾c L)) is a measure of the degree of velocity saturation
k(V) = 1/(1 + (V/¾c L)) is a measure of the degree of velocity saturation
Saturation: When VDS = VDSat = L ¾c = LÅSat/ ź
Saturation: When VDS = VDSat = L ¾c = LÅSat/ ź
IDSat = ÅSat CoxW [VGS  VT  VDsat/2]
IDSat = ÅSat CoxW [VGS  VT  VDsat/2]
25 marca 2008 Tranzystor 37
Short channel NMOS
Short channel NMOS
Short channel NMOS
ID[A]
ID[A]
VDS [V]
VDS [V]
NMOS transistor, 0.25um, Ld = 0.25um, W/L = 1.5, VDD = 2.5V, VT = 0.4V
NMOS transistor, 0.25um, Ld = 0.25um, W/L = 1.5, VDD = 2.5V, VT = 0.4V
25 marca 2008 Tranzystor 38
Linear dependence
Linear dependence
Short channel PMOS
Short channel PMOS
Short channel PMOS
All polarities of all voltages and currents are reversed
All polarities of all voltages and currents are reversed
VDS [V]
VDS [V]
Due to the smaller
Due to the smaller
mobility, the maximum
mobility, the maximum
current is only 42% of
current is only 42% of
what is achieved by a
what is achieved by a
similar NMOS
similar NMOS
ID[A]
ID[A]
transistor.
transistor.
PMOS transistor, 0.25um, Ld = 0.25um, W/L = 1.5, VDD = -2.5V, VT = -0.4V
PMOS transistor, 0.25um, Ld = 0.25um, W/L = 1.5, VDD = -2.5V, VT = -0.4V
25 marca 2008 Tranzystor 39
ID vs. VGS Characteristics
ID vs. VGS Characteristics
ID vs. VGS Characteristics
Linear (short-channel) versus quadratic (long-channel)
Linear (short-channel) versus quadratic (long-channel)
dependence of I D on VGS in saturation
dependence of ID on VGS in saturation
JD
JD
10
Long
channel
Velocity saturation
Velocity saturation
devices
causes the short-channel
causes the short-channel
device to saturate at
device to saturate at
Short
substantially smaller
substantially smaller
channel
values of VDS resulting in
values of VDS resulting in
devices
a substantial drop in
a substantial drop in
current drive
current drive
0
VDSAT VGS-VT
(for VDS = 2.5V, W/L = 1.5)
(for VDS = 2.5V, W/L = 1.5)
25 marca 2008 Tranzystor 40
MOS Capacitances
MOS Capacitances
25 marca 2008 Tranzystor 41
MOS Structure Capacitances
MOS Structure Capacitances
MOS Structure Capacitances
Consider an NMOS transistor with
the following parameters:
CDS
CDS
CGS
CGS
tox = 6 nm, L = 0.24 źm, W = 0.36 źm,
LD = LS = 0.625 źm, CO = 3 x10 10 F/m,
CGB
CGB
Cj0 = 2 x10 3 F/m2 ,
CSB CDB
CSB CDB
Cjsw0 = 2.75 x10 10 F/m.
Determine the zero-bias value of all
CGB = µoxLW/tox = 0.5fF relevant capacitances.
CGB 0.5fF
CGS = CGD= C0W = 0.1 fF
CGS = CGD 0.1 fF
CSB = CDB = Cj0WLS,D+Cjsw0 (W+2LD,S)=0.45fF+0.44fF= 0.89 fF
CSB = CDB 0.89 fF
Cox Co Cj Cjsw
Cox Co Cj Cjsw
O.25 źm
O.25 źm
[ fC/ źm2] [fC/ źm] [fC/ źm2] [fC/ źm]
[fC/ źm2] [fC/ źm] [fC/ źm2] [fC/ źm]
NMOS 6 0.31 2 0.28
NMOS 6 0.31 2 0.28
PMOS 6 0.27 1.9 0.22
PMOS 6 0.27 1.9 0.22
25 marca 2008 Tranzystor 42
MOS as a Switch
MOS as a Switch
25 marca 2008 Tranzystor 43
The MOS Model as a Switch
The MOS Model as a Switch
The MOS Model as a Switch
VGS < VT R infinite
VGS < VT R infinite
VGS < VT R infinite
VGS > VT R ~ k©
VGS > VT R ~ k©
VGS > VT R ~ k©
25 marca 2008 Tranzystor 44
The MOS Model as a Switch
The MOS Model as a Switch
The MOS Model as a Switch
Modeled as a switch with infinite off resistance and a
Modeled as a switch with infinite off resistance and a
finite on resistance, Ron
finite on resistance, Ron
Resistance inversely
Resistance inversely
proportional to W/L (doubling
proportional to W/L (doubling
W halves Ron )
W halves Ron )
For VDD >>VT +VDSat/2, Ron
For VDD >>VT +VDSat/2, Ron
independent of VDD
independent of VDD
Once VDD approaches VT ,
Once VDD approaches VT ,
Ron increases rapidly
Ron increases rapidly
0.25um, Ld = 0.25um, W/L = 1.5, VT = -0.4V
0.25um, Ld = 0.25um, W/L = 1.5, VT = -0.4V
25 marca 2008 Tranzystor 45
Switch Model of nMOS Transistor
Switch Model of nMOS Transistor
Switch Model of nMOS Transistor
25 marca 2008 Tranzystor 46
Switch Model of nMOS Transistor
Switch Model of nMOS Transistor
Switch Model of nMOS Transistor
Input Logic signal
Switch
Output Logic signal
The nMOS drives well O but poorly high voltage (VDD-VT)
The nMOS drives well O but poorly high voltage (VDD-VT)
25 marca 2008 Tranzystor 47
Switch Model of pMOS Transistor
Switch Model of pMOS Transistor
Switch Model of pMOS Transistor
25 marca 2008 Tranzystor 48
Switch Model of pMOS Transistor
Switch Model of pMOS Transistor
Switch Model of pMOS Transistor
Input Logic signal
Switch
Output Logic signal
The pMOS drives well high voltage but poorly zero (VT)
The pMOS drives well high voltage but poorly zero (VT)
25 marca 2008 Tranzystor 49