Transcript A MOS tranzisztor - Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
MIKROELEKTRONIKA,
VIEEA306
Térvezérelt tranzisztorok II.
A MOSFET-ek
http://www.eet.bme.hu/~poppe/miel/hu/12-MOSFET1.ppt
http://www.eet.bme.hu
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Ismétlés:
►
►
►
2012-11-09
Működési elv: térvezérlés, JFET, MOSFET
MOSFET alaptípusok, jelölések
Felületi jelenségek
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
2
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Térvezérelt tranzisztorok 1
►
FET = Field Effect Transistor – a töltéshordozók áramlását
elektromos térerősséggel befolyásoljuk
(kapu)
Csatorna
(forrás)
(nyelő)
JUNCTION FET: pn-átmenet kiürített
rétege zárja el a csatornát
Legfontosabb paraméter:
U0 elzáródási feszültség
►
►
Keresztirányú
térerő vezérel
Unipoláris eszköz: többségi töltéshordozók vezetnek
Vezérlő teljesítmény  0
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
3
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Térvezérelt tranzisztorok 2
► MOSFET:
Metal-Oxide-Semiconductor FET
-
+
Bulk
Első alaptípus: kiürítéses
(depletion mode)
Legfontosabb paraméter:
U0 elzáródási feszültség
Bulk
Második alaptípus: növekményes
(enhancement mode)
Legfontosabb paraméter:
VT küszöbfeszültség
(threshold voltage)
Ezt használjuk a leggyakrabban
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
4
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Térvezérelt tranzisztorok 3
► Jelölések:
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
5
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
MOSFET-ek
► Növekményes
MOSFET realisztikusabb
keresztmetszeti rajza:
Gate oxide
Polysilicon
Gate
Source
n+
Drain
n+
p substrate
Field-Oxide
(SiO2)
p+ stopper
Bulk contact
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
6
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Legmodernebb MOSFET-ek:
► 2007/2008,
2012-11-09
Intel:
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
7
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Hogy készül?
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
8
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Fém gate-es MOS tranzisztor
A mélységi struktúra:
Layout rajzolat:
Source
adalékolás
Gate
Drain
adalékolás
Vékony oxid
Source
Gondok:
• fém gate – nagy VT
• pontos maszk
illesztés kell
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
Drain
kontaktus
9
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Poli-Si gate-es MOS tranzisztor
A mélységi struktúra:
Layout rajzolat:
Source
adalékolás
Gate
Drain
adalékolás
Vékony oxid
Source
Előnyei
• kisebb VT
• önillesztés
2012-11-09
Drain
kontaktus
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
10
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A poli-Si gate-es nMOS technológia
►
Kiindulás: p típusú szubsztrát (Si szelet)
• tisztítás,
• majd vastag SiO2 (field oxide) növesztése
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
11
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A poli-Si gate-es nMOS technológia
►
Aktív zóna kialakítása fotolitográfiával
•
•
•
•
fotoreziszt felvitele,
exponálás UV fénnyel maszkon keresztül,
előhívás, exponált reziszt eltávolítása
SiO2 kémiai marása, fotoreziszt maradékénak eltávolítása
M1: aktív zóna
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
12
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A poli-Si gate-es nMOS technológia
►
Gate kialakítása:
•
•
•
•
vékony oxid növesztése
poli-Si leválasztása
poli-Si mintázat kialakítása fotolitográfiával (reziszt, exponálás, előhívás)
poli-Si marása, vékony oxid marása
M2: poli-Si mintázat
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
13
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A poli-Si gate-es nMOS technológia
►
S/D adalékolás (inplantáció)
• az oxid (vékony, vastag) maszkolja az adalékolást
• megvalósul a gate önillesztése
►
Foszfor-szilikát üveg (PSG) leválasztása: passziválás
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
14
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A poli-Si gate-es nMOS technológia
►
Kontaktusablakok nyitása
• fotolitográfia (reziszt, mintázat fényképezése, előhívás)
• marás (mintázat átvitele)
• tisztítás
M3: kontaktus-mintázat
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
15
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A poli-Si gate-es nMOS technológia
►
Fémezés kialakítás
• Al leválasztása
• fotolitográfia, marás, tisztítás
M4: féemezés-mintázat
►
►
A technológia receptje kötött, a mélységi struktúrát
egyértelműen meghatározzák az egymást követő maszkok
Elegendő a maszkon kialakítandó alakzatokat megadni
 az egymást követő maszkokon kialakítandó rajzolatok együttesét
layout-nak nevezzük
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
16
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Poli-Si gate-es tranzisztor
PSG
Struktúra:
Source/drain adalékolás
Vékony oxid
poli-Si gate
Layout:
fémezés,
kontaktus
W
L
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
17
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Egy kiürítéses inverter layout rajza
►
S
►
G
D




S
G
D
Layout = az egymást követő
maszkokon kialakítandó 2D-s
alakzatok együttese
Minden egyes maszkhoz
színkódot rendelünk:
►
aktív terület:
poli-Si:
kontaktusok:
fémezés:
piros
zöld
fekete
kék
Maszk == layout sík
(réteg)
Inverter működés: lásd később
Hol van tranzisztor? Ahol adalékolt régió között csatorna lehet
CHANNEL = ACTIVE AND POLY
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
18
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Egy önillesztő poli-Si gate-es MOS
technológia
1) Ablaknyitás az aktív területnek
M
 Fotolitográfia, oxidmarás
2) Vékony oxid növesztése
3) Bújtatott kontaktusok kialakítása
M
 A leválasztandó poli-Si a hordozóval érintkezik.
Adalékolás után az aktív réteggel kontaktusba kerül.
3) Poli-Si leválasztás
4) Poli-Si mintázat kialakítása
5) Ablaknyitás a vékony oxidon át
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
M
19
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Egy önillesztő poli-Si gate-es MOS
technológia
6) n+ adalékolás:
Source és drain valamint diffúziós vezetékek kialakítása.
Bújtatott kontaktusnál a poli-Si-ot a diffúziós réteghez köti.
7) Foszfor-szilikát üveg (PSG) szigetelő réteg
leválasztása
8) Kontaktus ablakok nyitása a PSG-n
M
9) Fémezés felvitele
10) Fémezés mintázat kialakítása
M
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
20
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
További témáink:
►
A MOS tranzisztorok működésének
áttekintése
Karakterisztikák
Másodlagos jelenségek
Modellek
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
►
►
►
21
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
MOSFET-ek működése
► A működés
legegyszerűbb (logikai) modellje:
 nem vezet (off) / vezet (on)
| VGS |
Gate
növekményes eszköz
Source
(of carriers)
Open (off) (Gate = ‘0’)
Drain
(of carriers)
Closed (on) (Gate = ‘1’)
Ron
2012-11-09
| VGS | < | VT |
| VGS | > | VT |
szakadásban
vezetésben
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
22
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
MOSFET-ek működése
► n-csatornás
eszköz:
 elektronok vezetnek
► p-csatornás
eszköz:
 lyukak vezetnek
 működés elve u.a., mint az n-csatornás eszközök
esetében; előjel váltás
OFF device: 0 vezérlőfeszültség esetén
"szakadásban" (növekményes tranzisztor)
► Normally ON device: 0 vezérlőfeszültség esetén
"vezetésben" (kiürítéses tranzisztor)
► Normally
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
23
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
MOSFET típusok áttekintése
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
24
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A működés áttekintése
►
A működés alapja az ún. MOS
kapacitás:
 Térerősség hatására
• pozitív töltések halmozódnak fel a fém
elektródán
• a p-típusú félvzetőben
– először "kisöprődnek" a pozitív töltéshordozók, így kiürített réteg keletkezik
– tovább növelve a térerősséget, a fém alá
negatív töltéshordozók vándorolnak a bulk-ból
– majd egy köszöbértéket meghaladó feszültség
esetén teljesen "invertálódik" a félvezetőanyag típusa: kialakul az ún. inverziós réteg
 VT küszöbfeszültség – inverziós réteg
kialakulásához szükséges minimális
feszültség; függ:
• a félvezetőanyag energiaszintjeitől
• az oxid vastagságától és dielektromos
állandójától
• a Si adalékolásától és dielektromos
állandójától
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
25
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
►
A MOS kapacitást önmagában is használják, pl. a CCD
eszközökben (charge coupled devices)
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
26
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A működés áttekintése
►
Felületi jelenségek a MOS kapacitás esetében
Erős inverzió:
UF = 2  F
 Wi  WF 
p  ni  exp

 kT 
 WF  Wv 
p ~ exp 

kT 

2012-11-09
F 
Wi  WF kT p
N

ln  UT ln a
q
q
ni
ni
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
27
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A MOS tranzisztor
► MOS
kapacitás a két végén egy-egy elektródával
kiegészítve
► n-csatornás
eszköz: elektronok vezetnek
► p-csatornás eszköz: lyukak vezetnek
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
28
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A MOS tranzisztor kvalitatív működése
►
Ha VGS > VT, kialakul az
inverziós réteg
 az n+ régió a source-nál
elektronokat tud injektálni a
csatornába
 a drain alkalmas (pozitív)
potenciálja beindítja az
elektronok áramlását a
csatornában,
 a drain pozitív potenciálja záró
irányban előfeszíti az n+ régió
által formált pn átmenetet
 a csatornában a drain-hez
sodródott elektronok itt
elnyelődnek és az n+ régióba
kerülnek, zárul az áramkör
2012-11-09
n+
n+
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
n+
29
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A MOS tranzisztor kvalitatív működése
 a csatornában lévő
töltéshordozó-sűrűség a VGS
feszültségtől függ
 a csatornában feszültségesés
jön létre, ezért az inverziós
réteg vastagsága a csatorna
mentén egyre csökken
 egy adott VDSsat ún. szaturációs
feszültségnél a csatorna a
drain-nél elzáródik, ez az ún.
pinch-off
n+
n+
VDSsat = VGS - VT
Az elzáródás bekövetkezte után a MOS tranzisztor ún. telítéses
üzemmódban dolgozik, a drain feszültség tovább nem befolyásolja a
csatorna áramot.
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
30
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A MOS tranzisztor kvalitatív működése
A pinch-off régióban a töltéstranszport diffúziós áram révén valósul meg.
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
31
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Feszültség-áram karakterisztikák
• kimeneti karakterisztika: ID=f(UDS), parameter: UGS
• transzfer karakterisztika: ID=f(UGS)
Kimeneti karakterisztika:
Szaturációban (telítésben):
W  n  ox
ID 
VGS  VT
L 2 tox

K
 n ox
tox

2
áramállandó
Az áramkörtervező csak a
tranzisztor geometriáját, W-t
és L-et befolyásolja
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
32
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
PÉLDA
Számoljuk ki egy MOS tranzisztor telítési áramát UGS=5V esetében,
ha

VT =1V, és a geometriai méretek
K  n ox  110A / V 2
tox
a) W= 5μm, L=0.4μm ,
b) W= 0.8μm, L=5μm !
a)
ID 
W K
5 110 6
(U GS  VT ) 2 
10 (5  1) 2  11 10 3 A  11mA
L 2
0.4 2
b)
ID 
W K
0.8 110 6
(U GS  VT ) 2 
10 (5  1) 2  141 10 6 A  141A
L 2
5 2
A W/L arány változtatásával a drain áram nagyságrendekkel
változtatható
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
33
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Feszültség-áram karakterisztika
6
X 10-4
VDSsat = VGS - VT
5
feszültség
vezérelt
áramforrás
feszültség vezérelt
lineáris ellenállás
4
VGS = 2.5V
VGS = 2.0V
3
lineáris
szaturáció
2
VGS = 1.5V
1
VGS = 1.0V
0
cut-off
0
0.5
1
1.5
2
2.5
VDS (V)
nMOS tranzisztor, 0.25um, Ld = 10um, W/L = 1.5, VDD = 2.5V, VT = 0.4V
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
34
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A működés fizikai
áttekintése:
►
Töltés és potenciálviszonyok a felületen
► A küszöbfeszültség
► A karakterisztika levezetése
► Másodlagos jelenségek
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
35
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A MOS struktúra
potenciálviszonyai
UGB  U ox  U F  MS
QG  QSC  QSS  Qi
C0 
 ox
d ox
QG  C0U ox
QSC  qNa S
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
36
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A MOS struktúra
potenciálviszonyai
UGB  U ox  U F  MS
Qi  QG  QSC  QSS 
QG  QSC  QSS  Qi
 C0U ox  2 s qNa U F  QSS
QG  C0U ox
Qi  C0 (U GB  U F   MS ) 
QSC  qNa S
 2 s qNa U F  QSS
QSC  qNa
2012-11-09
2 s
U F  2 s qNa U F
qNa
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
37
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A MOS tranzisztor küszöbfeszültsége
U F  2 F
2012-11-09
U F  2F  U SB
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
38
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A MOS tranzisztor küszöbfeszültsége
Qi  C0 (UGB  2 F  U SB   MS )  2 s qNa 2 F  U SB  QSS
VT  U GS
Qi 0
Qi  C0 UGS  VT 
2 s qNa
QSS
VT  2 F   MS 

C0
C0
2012-11-09
2 F  U SB
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
39
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A MOS tranzisztor küszöbfeszültsége
2 s qNa
QSS
VT  2 F   MS 

C0
C0
2 F  U SB
Flat-band potenciál:
 FB   MS
QSS

C0
Bulk állandó:
P
2 s qN a
C0
VT 2F FB  P 2 F  USB
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
40
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
PÉLDA
Egy MOS struktúra adatai: Na = 41015 /cm3, a Si
relatív dielektromos állandója 11,8, az oxidé 3,9, az oxid
vastagsága dox = 0,03 m, MS = 0,2 V, QSS-t elhanyagoljuk.
Számítsuk ki a Fermi potenciált, az oxid kapacitást, a bulk
állandót és a küszöb-feszültséget USB = 0 V mellett!
Na
4 1015
 F  UT ln
 0,026 ln
 0,335V
10
ni
10
C0 
P
 ox
dox
2 s qN a
C0
8,861012  3,9
3
2
2


1
,
1

10
F
/
m

1100
pF
/
mm
3 108
2  8,861012 11,7 1,6 1019  4 1021
1/ 2
P

0
,
331
V
1,1103
VT  2 F   MS 
QSS

C0
2 s qNa
C0
2 F  U SB
VT  2  0,335 0,2  0,331 2  0,335  1,14V
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
41
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A növekményes MOS tranzisztor
karakterisztikája
A következőkben kiszámoljuk!
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
42
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A karakterisztika egyenlet levezetése
U(0) = UGS , U(L) = UGD
Qi(U) = Qi[U(x)]
I D  Qi W v
dU
v   E   
dx
dU
I D  Qi (U )W
dx
2012-11-09
L
L
dU
 I D dx  W  Qi dx dx
0
0
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
43
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A karakterisztika egyenlet levezetése
L
L
dU
 I D dx  W  Qi dx dx
0
0
I D L  W
U GD
 Qi (U ) dU
U GS
Qi  C0 U ( x)  VT 
W
W  C0
2 U GS
U  VT 
I D     C0 U  VT  dU 
U GD
L U
L 2
U GD

W  C0
2
2
U GS  VT   U GD  VT 
ID 
L 2
GS
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011

44
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A karakterisztika egyenlet levezetése

W  C0
U GS  VT 2  U GD  VT 2
ID 
L 2

W  C0
F (U GS )  F (U GD )
ID 
L 2
(U  VT ) 2
F (U )  
0

ha U  VT
ha U  VT
Minden működési tartományra!
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
45
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A telítéses működés
W  C0
F (U GS )  F (U GD )
ID 
L 2
(U  VT ) 2
F (U )  
0

ha U  VT
ha U  VT
Telítés: UGD < VT
Minden működési tartományra!
W  C0
2
U GS  VT 
ID 
L 2
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
46
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
MOSFET típusok áttekintése
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
47
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Kiürítéses MOS tranzisztor
Eltolt küszöbfeszültségű növekményes
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
48
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Kiürítéses MOS tranzisztor
Eltolt
küszöbfeszültségű
növekményes
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
49
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A MOS tranzisztor kapacitásai
Bulk
QG  fG (UGS ,UGD ,UGB )
Qi  fi (UGS ,UGD ,UGB )
S/D – B kapacitások: lezárt PN
átmenet
2012-11-09
QG
C gs 
U GS
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
50
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A gate kapacitás:
Polysilicon gate
Source
Drain
xd
n+
xd
Ld
W
n+
Gate-bulk
overlap
Top view
Gate oxide
tox
n+
L
n+
Cross section
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
51
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Másodlagos hatások
► Csatornarövidülés
► Keskenycsatornás
viselkedés
► Hőmérsékletfüggés
► Küszöb alatti áram (subthreshold current)
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
52
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A küszöbfeszültség függése a
geometriától
Rövid csatorna:
VT csökken
2012-11-09
Keskeny csatorna:
VT növekszik
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
53
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Sebesség telítődés
► Rövid
10
csatornás eszközök működését befolyásolja
5
Sebesség telítődés (velocity
saturation) a töltséhordozók
sebessége egy adott térerősség
felett állandóvá válik (a sok
ütközés miatt)
0
c=1.5
0
3
(V/m)
Egy L = 0.25m csatorna hosszúságú eszközben néhány voltnyi
potenciálkülönbség a D és a S között elegendő a sebesség telítődéshez
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
54
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Sebesség telítődés
► Rövid
csatornás eszköznél a szaturáció korábban
bekövetkezik
10
0
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
55
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Rövid csatornás karakterisztika
2.5
X 10-4
Korai sebesség telítődés
VGS = 2.5V
2
VGS = 2.0V
1.5
Linear
1
Saturation
VGS = 1.5V
VGS = 1.0V
0.5
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
VDS (V)
nMOS tranzisztor, 0.25um, Ld = 10um, W/L = 1.5, VDD = 2.5V, VT = 0.4V
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
56
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Hőmérsékletfüggés
W  C0
U GS  VT 2
ID 
L 2
1 d
 0,003...  0.006 / o C
 dT
VT
o
 1,5...  4 mV / C
T
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
57
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Küszöb alatti vezetés (áram)
►
Egy adott VT feltételezése egy "durva" modell; valójában az
áram a gate feszültséggel exponenciálisan tűnik el
10-2
lineáris tartomány
négyzetes
tartomány
Küszöb alatti,
exponenciális
tartomány
VT
10-12
0
2012-11-09
ID ~ IS e (qVGS/nkT) ahol n  1
VGS (V)
0.5
1
1.5
2
2.5
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
58
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Küszöb alatti vezetés (áram)
►
Folytonos átmenet az ON és az OFF állapot közt
 A küszöb alatti áram nemkívánatos: erős eltérés a kapcsoló modelltől
I D ~ I 0e
qVGS
nkT
CD
, n  1
Cox
► I 0, n –
► Slope
empírikus paraméterek, n jellemzően 1.5
factor: S = n (kT/q) ln (10)
(tipikusan: 60 ..100 mV/dekád) – minél kisebb, annál jobb, n
értékétől függ.
Ún. SOI technikával csökkenthető:
Si
pl. SIMOX technológia
2012-11-09
SiO2
Si szubsztrát
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
59
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Subthreshold ID(VGS) karakterisztika
VDS : 0 .. 0.5V
I D  I 0e
2012-11-09
qVGS
nkT
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
qV
 DS

1  e kT






60
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Subthreshold ID(VDS) karakterisztika
VGS : 0 .. 0.3V
I D  I 0e
2012-11-09
qVGS
nkT
qV
 DS

1  e kT


Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011

1    VDS 


61
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
MOS tranzisztor modellek
►
►
Áramkörszimuláció (SPICE, TRANZ-TRAN, ELDO, SABER,
stb) számára szükségesek
Különböző komplexitás:
 level0, 1, 2, ...n,
 EKV,
 BSIM3, BSIM4
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
62
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Gyakorlati kivitel
Felvétel optikai
mikroszkóppal
SGD
SGD
Elektron-mikroszkópos
felvétel
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
63
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Néhány bonyolultabb áramkör:
n- és p-csatornás
eszközök vegyesen:
CMOS technika, lásd
később
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
64
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Néhány bonyolultabb áramkör:
Tervezéshez: CAD programok, l. labor
2012-11-09
Térvezérelt tranzisztorok II.: A MOSFET-ek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011
65