Circuite Integrate Analogice Celule fundamentale

Transcript

1 ircuite Integrate Analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS Facultatea de Electronică Telecomunicații și Tehnologia Informației Doris sipkes Departamentul Bazele Electronicii

2 Din conținut... joncțiunea pn modelul semiconductoarelor cu benzi energetic polarizarea, concentrații ale purtătorilor, capacitățile de joncțiune, curentul tranzistoare bipolare modelul cu benzi energetice, funcționare și polarizare pașii de fabricație și structura fizică modelul de semnal mare, regimuri de funcționare și caracteristici modelul de semnal mic și parametrii specifici tranzistoare MOS cu canal indus pașii de fabricație și structura fizică polarizarea si regimuri de funcționare modelul de semnal mare modelul de semnal mic și parametrii săi capacitățile parazite ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 2

3 Joncțiunea pn semiconductoare intrinseci și dopate joncțiunea pn = alăturarea metalurgică a două materiale semiconductoare dopate complementar p și n doparea de tip p un semiconductor intrinsec (ex. Si) dopat cu impurități acceptoare coloana 3 din tabelul periodic exces de goluri doparea de tip n un semiconductor intrinsec (ex. Si) dopat cu impurități donoare coloana 3 din tabelul periodic exces de goluri funcționarea depinde de modelul cu benzi energetice f distribuția Fermi-Dirac ( E) 1 F EE F kt 1 e ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 3

4 Joncțiunea pn semiconductoare intrinseci și dopate doparea modifică modelul cu benzi energetice a semiconductoarelor intrinseci banda interzisă efectivă scade și deplasarea nivelului Fermi faciliteză formarea de purtători liberi conducția la temperaturi >0K electronii se pot deplasa in banda de conducție sau golurile în banda de valență purtători de sarcină mobili curent de conducție ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 4

5 Joncțiunea pn nepolarizată modelul cu benzi energetice V N N n ln A D joncțiunea pn in echilibru nepolarizată potențialul intrinsec: 0 T 2 i ioni pozitivi și negativi câmp electric intern care accelerează purtătorii liberi prin limita dintre materiale difuzie de purtători recombinarea elecroni-goluri până neutralitatea sarcinilor este atinsă și câmpul electric intern este compensat regiunea de golire la limita dintre materialele cu ioni, dar fără purtatători liberi izolare efectivă între materialele de tip p și n ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 5

6 Joncțiunea pn polarizată polarizare inversă polarizarea întărește câmpul electric intern, regiunea de golire se lățește și bariera de potențial crește curent zero polarizare directă polarizarea compensează câmpul electric intern, regiunea de golire se îngustează și bariera de potențial scade difuzia purtătorilor și curent prin joncțiune ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 6

7 Joncțiunea pn capacități și curenți semiconductoarele dopate împreună cu regiunea de golire condensator j0 depinde de concentrația dopantului și de constante de material j j0 VD 1 0 capacitatea joncțiunii nepolarizate tensiune de polarizare potențial intrinsec curentul prin joncțiune determinat din ecuația difuziei ID IS e V nv D T 1 I S curent de saturație dependent de temperatură V T tensiunea termică n coeficientul de gradare a joncțiunii (=1 la joncțiuni abrupte) ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 7

8 Tranzistoare bipolare tranzistor bipolar = alăturarea a două joncțiuni pn astfel încât unul din materiale să fie folosit la comun dispozitiv cu 3 terminale controlate în curent: emitor (E) sursa purtătorilor baza (B) controlează fluxul de purtători și implicit curentul colector () capturează purtătorii și îi elimină din dispozitiv npn sau pnp depinde de tipul de dopant doar cazul npn e discutat, pnp e similar având tensiunile de polarizare și curenții negativi substratul este uneori lăsat neconectat tensiunea controlată prin proiectare ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 8

9 Tranzistoare bipolare tranzistor npn nepolarizat în echilibru joncțiunile și modelul său cu benzi energetice EBE EB nivelul Fermi este identic pentru toate cele trei straturi ambele joncțiuni sunt neutre dpv electric cu potențial intrinsec și câmp electric propriu regiuni de golire la limita ambelor joncțiuni bariere de potential curent zero dispozitivul necesită polarizare tensiuni corespunzătoare aplicate la terminale ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 9

10 Tranzistoare bipolare - polarizarea joncțiunea B polarizată invers regiunea de golire se lățeste electronii minoritari din bază sunt atrași de potențialul pozitiv al colectorului migrația de la B la bariera de potențial B oprește difuzia electronilor câtre B de unde vin electronii minoritari din bază?? juncțiunea BE polarizată direct regiunea de golire scade permite o concentrație mai mare de electroni în B electronii migrează de la E la curentul are sensul de la la E ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 10

11 Tranzistoare bipolare sensul curenților nu toți electronii din bază ajung în colector tipic ~1% sunt eliminați prin terminalul bazei curentul de bază nu este zero câștig de curent (β) curentul este asociat cu mișcarea golurilor sensul curentului este opus cu mișcarea electronilor săgeata din emitor arată sensul curentului condiții adecvate de polarizare IE I B I I I B V V V E BE B ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 11

12 Tranzistoare bipolare pași de fabricație simplificați pași succesivi de mascare, formare,gravură, implantare de ioni și creștere epitaxială exemplu: tranzistor npn vertical Pasul 1: implantarea stratului îngropat de n + pe un substrat p slab dopat Pasul 2: creștere epitaxială n pentru contactul vertical de colector ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 12

13 Tranzistoare bipolare pași de fabricație simplificați Pasul 3: implantarea regiunilor p + difuzia bazei și izolarea dispozitivelor adiacente B B Alternativă la izolarea dispozitivelor adiacente gravarea unor adâncituri în stratul epitaxial și umplerea cu izolator ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 13

14 Tranzistoare bipolare pași de fabricație simplificați Pasul 4: implantarea regiunilor n + zona emitorului și conexiunea verticală de colector B E B E Joncțiunile sunt create într-o configurație verticală tranzistor npn vertical ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 14

15 Tranzistoare bipolare pași de fabricație simplificați Pasul 5: contactele metalice și pasivizarea suprafeței cu SiO 2 tranzistorul final ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 15

16 Tranzistoare bipolare modelul de semnal mare definirea curentului de colector ca o funcție de tensiunile de polarizare, gradienți de concentrație și constante de material Electronii minoritari difuzați din E în B: np (0) np0 e x Gradientul de recombinare în B: np ( x) np (0) 1 W VBE qae Dnn p0 VT urentul de colector: I AE J n e WB curent de saturație I S V V B BE T I I e S dnp ( x) np (0) dx W V V BE T B ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 16

17 Tranzistoare bipolare efectul Early potențialul de colector modulează lățimea regiunii de golire B lățimea efectivă a bazei se schimbă I V V W V W V V W V I S VBE VBE qa D n qa D n E n p0 V E n p 0 T V W T B I W B e e 2 E E B ( E ) B ( E ) E B E 1 V V EA V EA tensiunea Early I V I V I V E VE E EA termenul de corecție a curentului * V I I I I V 1 E EA I * I e S V V BE T V 1 V E EA ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 17

18 Tranzistoare bipolare saturația V E =V BE +V B daca V E <V BE V B <0 joncțiunea B este polarizată direct lățimea regiunii de golire B scade migrație de purtători de în B ambele joncțiuni BE și B injectează purtători în bază datorită concentrației mari de purtători în bază câștigul de curent β nu mai este relevant curentul de bază crește semnificativ în practică V E nu poate fi prea mic polarizarea! I B I ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 18

19 Tranzistoare bipolare caracteristici dependența neliniară a curentului de colector I cu V BE și V E : caracteristica de transfer are semnificație doar în RAN caracteristica de ieșire o familie de curbe dependente de V BE definește regimurile de funcționare (saturația si RAN) aracteristica de transfer I f V BE V ct E I I e S V V BE aracteristica de ieșire I f V E V ct BE T V 1 V E EA OP OP ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 19

20 semnal mic= variații infinitezimale ale tensiunilor și curenților curentul de colector neliniar este liniarizat în jurul PSF Modelul de semnal mic ST Important: parametrii de semnal mic sunt dependenți de PSF!!! r g BE m VBE 1 1 I I B 1 I B V V BE V BE BE g I V T V 1 I ISe 1 V V V V E E EA T T m rezistența bază-emitor de semnal mic, sute de kω transconductanța de semnal mic, ms panta carecteristicii de transfer în jurul PSF r E VE 1 1 VBE I I IS VT V e E V EA V I EA resistența colector-emitor de semnal mic, sute de kω inversul pantei caracteristicii de ieșire în RAN ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 20

21 Modelul de semnal mic și înaltă frecvență include efectele capacităților parazite și rezistențele serie ale terminalelor r B, r, r E rezistențe asociate cu contactele B, si E S capacitate de jonctiune colector-substrat (o funcție de tensiunea V S ) B capacitate de tip joncțiune bază-colector BE capacitate parazită bază-emitor : BE BE dep BEdiff capacitate de joncțiune bază-colector capacitate de difuzie BE datorată deplasării sarcinii ca un efect al modificării tensiunii V BE ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 21

22 Modelul de semnal mic și înaltă frecvență capacitățile β dependent de frecvență β(s) determină răspunsul în frecvență i gmvbe 1 1 vbe ib rbe sbe s B 0 ( s) 1 s rbe BE B colectorul la masă, rezistențele contactelor de și E se neglijează f T frecvența de tranzit ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 22

23 Tranzistoare MOS cu canal indus tranzistoare MOS cu canal indus (Metal-Oxide-Semiconductor) = dispozitiv cu 4 terminale controlat în tensiune: sursa (S) sursa purtătorilor majoritari grila (G) terminal de control, izolat electric drena (D) terminal țintă pentru purtători substratul sau bulk (B) contact la dispozitie în mod explicit, care necesită polarizare tranzistor MOS cu canal-n (NMOS) sau canal-p (PMOS) depinde de tipul de semiconductor doar cazul NMOS este discutat, PMOS este similar dar are toate tensiunile de polarizare și curenții negativi analogic digital ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 23

24 Tranzistoare MOS - structura proces de fabricație n-well cu substrat p slab dopat tranzistoarele NMOS sunt realizate pe substrat, iar PMOS stau într-o covată n-well grila de polisiliciu e izolată de semiconductor de un strat subțire de izolator SiO 2 contactul de substrat (bulk) la dispoziție pentru polarizare (vezi latch-up) dispozitivele sunt izolate unele de altele (similar ca la TB) ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 24

25 Tranzistoare MOS pași de fabricație simplificați pași succesivi de mascare, formare,gravură, implantare de ioni și creștere epitaxială ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 25

26 Funcționarea structurii fizice tranzistor MOS nepolarizat joncțiunile substrat-sursă și substrat-drenă nepolarizate regiunile de golire din jurul S și D nu avem curent prin dispozitiv potențial de grilă pozitiv mai mic decât V Th electronii minoritari din substrat sunt atrași de G regiunea de golire se extinde sub grilă datoritaă recombinării electroni-goluri V GS crește peste V Th strat de inversiune (canal) sub grilă curent de purtători majoritari condiția fundamentală pentru conducție ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 26

27 tensiune V DS mică joncțiunea substrat drenă polarizată invers regiunea de golire este extinsă în jurul drenei canal asimetric purtătorii sunt accelerați spre D prin contactul ohmic S-D regim liniar (triodă) rezistența controlată în tensiune Funcționarea structurii fizice V DS V DSat regiunea de golire din jurul drenei determină întreruperea canalului (pinch-off) saturația Regimul de operare V GS V DS analul blocat < V Th înafara cazului nu contează, când se străpunge linear (triodă ) > V Th 0 < V DS < V Dsat da, pinch-off saturat > V Th V DS > V Dsat da, pinch-off ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 27 nu

28 Modelul de semnal mare modelul de semnal mare dependența curentului I D de V GS și V DS Regim liniar 2 oxw V DS I D VGS VTh VDS L 2 VDS VDSat Saturație oxw I V V 2Leff VDS VDSat 2 D GS Th µ mobilitatea purtătorilor ox capacitatea specifică a oxidului W, L lățimea și lungimea tranzistorului L eff lungimea efectivă a canalului λ coeficient de modulație a L V V V DSat GS Th Modulația lungimii canalului: L L X ( V ) eff pinch DS I pinch D I X X D I D pinch I V X V L V DS pinch DS eff DS I W I I V V V V 2 1 * D ox D D DS GS Th DS VDS 2L termen de corecție D ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 28

29 Polarizarea substratului tranzistoarele bipolare parazite și rezitențele de material într-un NMOS și PMOS adiacente crează o buclă de reacție pozitivă tiristor orice tensiune/curent nedorit poate amorsa bucla și crează un scurtcircuit între liniile de alimentare latch-up fiecare tranzistor bipolar trebuie dezactivat substratul pus la masă pentru NMOS (baza de tip p) și conectat la potențial pozitiv pentru PMOS (baza de tip n) Efectul V BS asupra tensiunii de prag: V V V 2 V 2 Th BS Th BS ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 29

30 Modelul de semnal mic în saturație variații infinitezimale ale tensiunilor și curenților curentul neliniar de drenă liniarizat în jurul PSF Important: parametrii de semnal mic sunt dependenți de PSF!!! g m I D 2I D 2LI D V V W GS DSat ox transconductanța de semnal mic, sute de µs panta caracteristicii I D (V GS ) în jurul PSF g mb I D g m V 2 V 2 BS BS 0 transconductanța de substrat, o fracțiune din g m (~ 20-25% pentru MOSFET cu canal scurt) r DS V DS 1 1 I D I I sat D VDS sat D resistența drenă-sursă, sute kω inversul pantei caracteristicii I D (V DS ) în jurul PSF în regim saturat ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 30

31 apacitățile parazite WL OLS OLD OL ox jbd BD0 1 V BD BD0 jbs BS 0 1 V BS BS 0 OLS, OLD capacități de suprapunere ale S și D jbs, jbd, jbch capacități de joncțiune sursă-substrat, drenă-substrat și canal-substrat ch capacitate grilă-canal (sau simplu capacitate de canal) depinde de regimul de funcționare Fiecare capacitate contribuie la capacitatea parazită totală dintre terminale, depinzând de regimul de funcționare. ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 31

32 Modelul de semnal mic și înaltă frecvență ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 32

33 Bibliografie B. van Zeghebroeck, Principles of Semiconductor Devices, online book, P.E. Allen, D.R. Holberg, MOS Analog ircuit Design, Oxford University Press, 2002 B. Razavi, Design of Analog MOS Integrated ircuits, McGraw-Hill, 2002 D. Johns, K. Martin, Analog Integrated ircuit Design, Wiley, 1996 ircuite integrate analogice elule fundamentale Tranzistoare bipolare și MOS 33