ΑΡΧΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Τρανζίστορ Μετάλλου Οξειδίου MOSFET

Transcript

1 ΑΡΧΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Τρανζίστορ Μετάλλου Οξειδίου MOSFET Recommended Text: Microelectronic Devices, Keith Leaver (4 th Chapter) Design of Analog CMOS Integrated Circuits, Behzad Razavi ( nd Chapter)

2 FET MOSFET Πρόκειται για ενεργό ηλεκτρικά στοιχείο, με τέσσερις ακροδέκτες. Τα Field Effect Transistors (FET) υπάρχουν τεχνολογικά ήδη από το 196 (πριν τα BJT). Σήμερα χρησιμοποιείται ως κύριο δομικό στοιχείο σε ολοκληρωμένα κυκλώματα, με κύρια εφαρμογή τη διακοπτική λειτουργία σε ψηφιακά κυκλώματα.

3 Αρχή Λειτουργίας των FET Η απαρχή των FET (Field Effect Transistors) βρίσκεται στο 196. Την εποχή εκείνη γίνονταν προσπάθειες για την κατασκευή αντιστάσεων ελεγχόμενων από τάση (σε ημιαγωγό). Η βασική αρχή λειτουργίας των FET γενικά είναι η αλλαγή της αγωγιμότητας μιας περιοχής: είτε με αλλαγή του πάχους του καναλιού ροής των κινητών φορέων φορτίου (JFET) είτε με αλλαγή της συγκέντρωσής τους (MOSFET) 3

4 Γνωριμία με το MOSFET Οι ακραίες περιοχές ονομάζονται: Πηγή (source S) και Υποδοχή ή Απαγωγός (Drain D) και είναι πανομοιότυπες, ενώ μεσαία περιοχή ονομάζεται Πύλη (Gate G) και είναι μονωμένη από τον ημιαγωγό Σώμα/Υπόστρωμα (Body/Bulk -Β) 4

5 MOSFET Το MOSFET οφείλει το όνομά του στην περιγραφή της κατασκευής της Πύλης (G) η οποία αποτελείται από στρώμα SiO και Μέταλλου πάνω από το κυρίως σώμα του ημιαγωγού Metal-Oxide-Semiconductor FET 5

6 Δοµή MOSFET Πολυκρυσταλλικό Πυρίτιο πηγή πύλη υποδοχή Οξίδιο p- υπόστρωµα 6

7 NMOS και PMOS στο ίδιο τεµάχιο Σώµα πηγάδι 7

8 Σύµβολα MOS 8

9 Δηµιουργία Καναλιού Γίνεται «αναστροφή» τον φορέων στο κατώφλι V TH 9

10 MOSFET - Αρχή Λειτουργίας Η εφαρμογή θετικής τάσης στην Πύλη (G) έλκει ηλεκτρόνια στην επιφάνειά του σχηματίζοντας κανάλι αγωγής (πάνω από μια τάση κατωφλίου. Αύξηση της θετικής τάσης στην Πύλη οδηγεί σε αύξηση των φορέων φορτίου (είναι φορείς μειονότητας). Με έλλειψη θετικής πόλωσης στην πύλη αμελητέο ρεύμα ρέει μεταξύ Πηγής Απαγωγού, εφόσον υπάρχει τάση ανάμεσά τους μια και η μία από τις δύο επαφές πολώνεται ανάστροφα. Αυτό το MOSFET λέγεται Enhancement n-channel Προσαύξησης n-καναλιού 10

11 MOSFET - Αρχή Λειτουργίας Πύλη Η θετική τάση στην πύλη MOSFET προσαύξησης με υπόστρωμα p-τύπου, οδηγεί στην έλξη ηλεκτρονίων κοντά στην επιφάνεια του οξειδίου σχηματίζοντας κανάλι αγωγής n- τύπου. Ουσιαστικά η τάση στην πύλη αλλάζει την ενεργειακή διαφορά E C -E F έτσι ώστε να αλλάζει: n= N e C EC E kt Οδηγώντας σε αύξηση των ηλεκτρονίων στην περιοχή του οξειδίου. Περαιτέρω αύξηση της τάσης μειώνει τη διαφορά E C - E F αυξάνοντας τη συγκέντρωση ηλεκτρονίων και άρα την αγωγιμότητα (60mV οδηγούν σε x10 τα e). F Η επιπρόσθετη τάση δημιουργεί περιοχή απογύμνωσης/ φορτίων χώρου πρώτα και μετά κανάλι! Το μέγεθος της περιοχής απογύμωσης παραμένει το ίδιο έστω και εαν αυξηθεί το κανάλι ηλεκτρονίων 11

12 MOSFET - Αρχή Λειτουργίας Πύλη Υπάρχει μια τιμή τάσης κατωφλίου V T, κάτω από την οποία έχω μεταβολή στο εύρος της περιοχής φορτίων χώρου, όχι στην αγωγιμότητα της περιοχής αυτής. Για τάση στην πύλη πάνω από την τιμή του V T, η μεταβολές στην τάση της πύλης οδηγούν σε αλλαγή της συγκέντρωσης φορέων φορτίου. Η τάση κατωφλίου V T ορίζεται ως η τιμή της τάσης στην πύλη για την οποία τα ηλεκτρόνια (φορείς μειονότητας) κοντά στο οξείδιο αποκτούν συγκέντρωση ίση με αυτή των φορέων πλειονότητας του ημιαγωγού. Τυπικές τιμές: 0.5 3v 1

13 Τάση Κατωφλίου (Threshold Voltage) Χωρητικότητα/m V TH = Φ MS + Φ F + Q dep / C ox Φ MS => διαφορά έργου µεταφοράς σε πολυκ. πυρ. & πυρ. Δυναµικό Fermi (Φ F )= (kt/q) ln( N sub /n i ) Q dep = 4qε Si Φ F N SUB Φορτίο (Charge) στη περιοχή απογύµνωσης (Depletion region) διηλεκτρική σταθερά Eg. N sub 10 1 m -3, n i m -3 kt/q 5mV Φ F =0.8V 13

14 Υπολογισµός Ρέυµατος: Τοµή Σε Ράβδο Ηµιαγώγιµου Υλικού 1m Q d => πυκνότητα φορτίου (Coulombs / µέτρο) ν => ταχύτητα φορτίου (m/s) τότε: I = Qd. v 14

15 Αναγωγή Χαρακτηριστικών Τάσεως/ Ρεύµατος (I/V characteristics) Τι πυκνότητα φορτίου στο κανάλι; Q = CV φορτίο στο κανάλι/ µέτρο Q d = WC ox ( VGS VTH ) (σε Coulombs / µέτρο) τάση στο κανάλι στο σηµείο x Qd(x) = WCox(VGS V (x) VTH) (σε Coulombs / µέτρο) 15

16 Αναγωγή Χαρακτηριστικών Τάσεως/ Ρεύµατος (I/V characteristics) Qd(x) = WCox(VGS V (x) VTH) (σε Coulombs / µέτρο) Απο I = Qd. v ID = WCox[VGS V( x) VTH]v Ταχύτητα v = µ E and E( x) = dv ( x) dx κινητικότητα των ηλεκτρονίων Ηλεκτρικό πεδίο ID = WCox[VGS V (x) VTH]µn dv(x) dx 16

17 Αναγωγή Χαρακτηριστικών Τάσεως/ Ρεύµατος (I/V characteristics) ID = WCox[VGS V (x) VTH]µn dv(x) dx L I D dx = V DS WC oxµ n[ V GS V ( x) V TH ] dv x= 0 V = 0 ID = µncox W L [(VGS VTH)VDS 1 VDS ] 1 Tριοδική περιοχή! 17

18 Αναγωγή Χαρακτηριστικών Τάσεως/Ρεύµατος (I/V characteristics) I D = µ n C ox W L [( V I D = µ nc V DS V DS ox GS W L = V V TH ) V DS 1 V DS [( VGS VTH) VDS ] = 0 GS V TH ] Αντικαθιστούµε το V DS στο I D και... I D 1 = µ C n ox W L ( V V ) GS TH Περιοχή Κορεσµού/ Κόρου! 18

19 Χαρακτηριστικές Ρεύµατος/Τάσεως (I/V) Η εξισώσεις 1 & αποτελούν την βάση για σχεδιασµό αναλογικών κυκλωµάτων! Από την 1 βρίσκουµε ότι: I D = µ n C ox W L [( V GS V TH ) V DS 1 V DS ] όταν V DS << ( VGS VTH ) R ON = V I DS DS = µ n C ox W L 1 ( V GS V TH ) 3 Γραµµική Τριοδική Περιοχή! 19

20 Τί Γίνεται Όταν V DS >V GS -V TH ; Το ρεύµα I D δεν ακολουθεί την παραβολική καµπύλη της 1 0

21 Τί Γίνεται Όταν V DS >V GS -V TH ; I D 1 W = µ ( ) ncox VGS VTH Περιοχή Κορεσµού! L' Όταν είναι µεγάλο το µήκος L L, και έτσι δεν αυξάνεται το ρεύµα αισθητά 1

22 Κορεσµένο MOS ως Πηγή Ρεύµατος

23 Διαγωγιµότητα g m (Transconductance) n ox Διαγωγιµότητα είναι µέτρο για πόσο καλά µετατρέπεται µια τάση στην πύλη σε ρεύµα στην υποδοχή. Ορίζεται: g m = I V D GS V DS 1 ID = µ C gm = µncox W L ID W L' ( V V ) GS TH W = µ ncox ( VGS VTH) L = ID VGS VTH 3

24 Αναγνώριση Περιοχών Λειτουργίας Κορεσµός όταν: V DS V GS - V TH 4

25 MOSFET - Αρχή Λειτουργίας Πηγή Απαγωγός Στην περιοχή αποκοπής το ρεύμα μηδενίζεται για V GS <V Τ Περιοχή αποκοπής 5

26 Δευτερεύουσες Επιδράσεις Επίδραση (της τάσης του) Σώµατος (Body Effect) Διαµόρφωση στο µήκος του καναλιού (Channel Length Modulation) Υποκατωφλιακή αγωγή (Subthreshold Conduction) 6

27 Επίδραση της Τάσης του Σώµατος (Body Effect) Θυµηθείτε V TH = ΦMS + ΦF + Q C dep ox V B Ελκύει οπές Q dep V TH Συντελεστής επίδρασης σώµατος V TH = V ( Φ ) F + VSB ΦF TH 0 + γ, γ = qεsin C ox sub 7

28 Πως Επηρεάζει το Σώµα τον Σχεδιασµό Κυκλωµάτων; No Body Effect With Body Effect Γενικά περιπλέκει τον σχεδιασµό! Αποτελεί επιπρόσθετη είσοδο σήµατος Οι τεχνολογίες σχεδιάζονται ώστε να µειωθεί το «γ» 8

29 Διαµόρφωση του µήκους του καναλιού (Channel length Modulation) I D µ nc ox gm = µncox W L W L ( V GS V TH Συντελεστής διαµόρφωσης καναλιού ) (1 + λv DS (VGS VTH)(1 + λvds) ) g m = µ ncoxw ID(1 + λvds) L Σε σταθερό I D µειώνεται η διαγωγιµότητα λόγο channel length modulation 9

30 Υποκατωφλιακή Αγωγή Χρήσιµη περιοχή για κυκλώµατα χαµηλής ισχύος Δηµιουργεί προβλήµατα για ψηφιακά συστήµατα Έχει µεγαλύτερη διαγωγιµότητα g m I D = I V exp ζ kt q kt q GS 0 όταν V ds 5 ( 15mV ) Υποκατωφλιακή παράµετρος / Subthreshold parameter 30

31 Μοντέλα Στοιχείων MOS Φυσικό Σχέδιο MOS Χωρητικότητες Στοιχείων MOS Μοντέλο Μικρού σήµατος των MOS 31

32 Φυσικό Σχέδιο MOS 3

33 Χωρητικότητες Στοιχείων MOS C 1 = WLC ox C = WL qε /(4Φ sin sub F C C = C ov W 3 C = C ] j = 4 j0 /[1 + VR / ΦB Ανάστροφη τάση πόλωσης m ) Έµφυτο Δυναµικό Ένωσης ~0.3 33

34 Χωρητικότητες G-S & G-D C1. C C GB = C + C 1 C GS = C GD σε περιοχή επικάλυψης C = C = SB DB f ( V ) R 34

35 Διαφορά Μοντέλων Μικρού και Μεγάλου Σήµατος Όλα τα µοντέλα που καλύψαµε µέχρι στιγµής είναι µεγάλου σήµατος Εάν βάλουµε ένα σήµα τύπου: v = V + v GS GS gs Πόλωση σήµα το σύνολο ρεύµατος στη υποδοχή ενός κορεσµένου MOSFET είναι: I D 1 = µ nc ox W L ( V + v V ) GS gs TH 35

36 Διαφορά Μοντέλων Μικρού και Μεγάλου Σήµατος ( V V ) v ) 1 W I D = µ ncox GS TH + L gs Μη γραµµική παραµόρφωση 1 W W 1 I D = µ ncox GS TH n ox GS TH gs + µ n L L ( V V ) + µ C ( V V ) v C v ox W L gs 1 µ n C ox W L v gs << µ C n ox W L ( V GS V TH ) v gs v gs ( V V ) << GS TH Συνθήκη για να ισχύει µοντέλο µικρού σήµατος 36

37 Μοντέλο Μικρού σήµατος των MOS (Χαµηλών Συχνοτήτων) ID = µncox W L (VGS VTH) (1+ λvds) gm = µncox W (VGS VTH)(1 + λvds) L r o V = I DS D = I D 1 / V DS = µ nc ox W L 1 ( V GS V TH ) λ r o = 1 λi D 37

38 Διαγωγιµότητα Σώµατος, g mb (Bulk Transconductance) gm η ID = µncox W (VGS VTH) L g mb = I V D BS = µ n C ox W L ( V GS V TH V ) V TH BS Also, V TH = V + γ ( ΦF + VSB Φ ) TH 0 F VTH VBS = VTH VSB = γ (ΦF + VSB) 1/ g mb = g m γ Φ F + V SB = ηg m (η<0.) 38

39 Αντίσταση πύλης 39

40 Μοντέλο Μικρού σήµατος των MOS (Υψηλής Συχνότητας) 40

41 MOS έως Πυκνωτής (Χαρακτηριστικές C-V) C ox Απογυµνωµένο κανάλι 41

42 MOSFET n-channel enhancement n-channel depletion p-channel enhancement p-channel depletion 4

43 Μοντέλα MOSFET μικρού σήματος Συνδεσμολογία κοινής πηγής Πρόκειται για μοντέλο στο οποίο τα σήματα που εφαρμόζονται είναι μικρά, ώστε να μην μεταβάλλουν σημαντικά παραμέτρους του τρανζίστορ. n-channel Στις υψηλές συχνότητες θα πρέπει να ληφθούν υπόψη διάφορες σχηματιζόμενες χωρητικότητες. 43

44 Μοντέλο MOSFET χαμηλών συχνοτήτων Συνδεσμολογία κοινής πηγής Αντίσταση Εισόδου r gs Αντικατοπτρίζει το συσχετισμό των μεγεθών της εισόδου V GS και I G =0, αφού η πύλη είναι μονωμένη από τον υπόλοιπο ημιαγωγό. Συνεπώς, dq G Zin αφού και η Cgs = 0 για σήµατα χαµηλών συχνοτήτων dvgs Αντίσταση Εξόδου r ds Αντικατοπτρίζει το συσχετισμό των μεγεθών της εξόδου V DS και I D. Συνεπώς, dvds rds = di D V GS Διαγωγιμότητα g fs g fs = di dv D GS V DS 44

45 Μοντέλο MOSFET χαμηλών συχνοτήτων Συνδεσμολογία κοινής πηγής Τριοδική (γραμμική) περιοχή Αντίσταση Εισόδου r gs Είναι της τάξης του 10 1 Ω και η C gs είναι της τάξης των pf, με αποτέλεσμα η εμπέδησή της να μην μεταβάλλει ουσιαστικά την αντίσταση εισόδου του MOSFET. Αντίσταση Εξόδου r ds Αντικατοπτρίζει το συσχετισμό των μεγεθών της εξόδου V DS και I D. Συνεπώς, Διαγωγιμότητα g fs 1 dv DS di D d W V DS rds = = = Coxµ e ( VGS VT ) VDS di D dvds dvds L V GS W rds = Coxµ e ( VGS VT VDS ) L g di d W C V V V V g W C V D DS fs = = oxµ e ( GS T ) DS fs = oxµ e DS dvgs dvgs L L V DS 1 45

46 Μοντέλο MOSFET χαμηλών συχνοτήτων Συνδεσμολογία κοινής πηγής Περιοχή κορεσμού Αντίσταση Εισόδου r gs Είναι ίδια σχεδόν με αυτήν της γραμμικής περιοχής (10 1 Ω). Αντίσταση Εξόδου r ds Πρέπει να υπολογιστεί έμμεσα μια και η V DS στην αντίστοιχη σχέση του I D δεν εμφανίζεται ευθέως. 1 W I ( ) D = Coxµ e VGS VT όπου LD =ΛVDS L L r ds D GS Οπου V A είναι η τάση Early και είναι σταθερή Για L>>L D. 1 dv di L L V = = = = di dv ΛI I DS D D A D V DS D D 46

47 Μοντέλο MOSFET χαμηλών συχνοτήτων Συνδεσμολογία κοινής πηγής Περιοχή κορεσμού Διαγωγιμότητα g fs Από το ορισμό: did d 1 W W g = = C µ V V g C µ V V dv dv = L L DS ( ) ( ) fs ox e GS T fs ox e GS T GS V GS Η V GS είναι η μέση τιμή της αντίστοιχης τάσης. Οποιαδήποτε μεταβολή της οδηγεί σε παραμόρφωση στην έξοδο, λόγο μεταβολής της g fs. Μπορούμε να ελέγξουμε την τιμή της διαγωγιμότητας από τις διαστάσεις του τρανζίστορ. 47

48 Μοντέλο MOSFET υψηλών συχνοτήτων Συνδεσμολογία κοινής πηγής Χωρητικότητες του μοντέλου υψηλών συχνοτήτων Παίζουν υπολογίσιμο ρόλο μια και αυτές έχουν πια εμπεδήσεις που δεν τείνουν στο άπειρο. Ορίζονται ως εξής: dqg dqg dqg Cgs =, Cgd =, Cgb = dvgs dvgd dvgb Ολες σχετίζονται με το συγκεντρωμένο φορτίο στην πύλη μια και αυτή είναι μονωμένη από το υπόλοιπο τμήμα του ημιαγωγού και συμπεριφέρεται σαν οπλισμός πυκνωτή. 1 Cgs = Cgd = CoxWL, VDS << VGS VT Cgs = CoxWL Cgd, VDS VGS VT 3 C = C WL, V < V gb ox GS T 48