Θεωρία Τρανζίστορ MOS

2 η Θεµατική Ενότητα : Θεωρία Τρανζίστορ MOS Επιµέλεια διαφανειών:. Μπακάλης Θεωρία Τρανζίστορ MOS Ένα τρανζίστορ MOS ορίζεται ως στοιχείο φορέων πλειονότητας (majority - carrier device) του οποίου το ρεύµα στο κανάλι αγωγής (πηγή - υποδοχή) διαµορφώνεται από την τάση πύλης. Φορείς πλειονότητας Ηλεκτρόνια (n-mos) Οπές (p-mos) Η τάση κατωφλίου (V t ) ορίζεται ως η τάση πύλης στην οποία αρχίζει να άγει το στοιχείο MOS. Για τάσεις µικρότερες από V t το κανάλι βρίσκεται σε κατάσταση αποκοπής (πολύ µικρό ρεύµα από πηγή σε υποδοχή). Θεωρία Τρανζίστορ MOS 2

Τρανζίστορ Πύκνωσης - Αραίωσης Ένα τρανζίστορ αραίωσης (depletionmode MOS) άγει όταν η τάση πύλης είναι ίση µε την τάση πηγής. Ένα n-mos (p-mos) τρανζίστορ πύκνωσης (enhancement-mode) άγει όταν η τάση πύλης και η τάση πηγής έχουν θετική (αρνητική) διαφορά. Θεωρία Τρανζίστορ MOS 3 Τρανζίστορ Πύκνωσης n-mos Ηλεκτρικά, ένα στοιχείο MOS ενεργεί ως διακόπτης ελεγχόµενος από την τάση πύλης-πηγής. Θεωρία Τρανζίστορ MOS 4

Τρανζίστορ Πύκνωσης n-mos Θεωρία Τρανζίστορ MOS 5 Τρανζίστορ Πύκνωσης n-mos Θεωρία Τρανζίστορ MOS 6

Τρανζίστορ Πύκνωσης n-mos Θεωρία Τρανζίστορ MOS 7 Τρανζίστορ Πύκνωσης n-mos Θεωρία Τρανζίστορ MOS 8

Τρανζίστορ Πύκνωσης n-mos Μη-Κορεσµένη Περιοχή (Non-saturated Region) ήv gd > V t Θεωρία Τρανζίστορ MOS 9 Τρανζίστορ Πύκνωσης n-mos Περιοχή Κόρου (Saturated Region) ήv gd < V t Θεωρία Τρανζίστορ MOS 10

Τρανζίστορ Πύκνωσης n-mos Οι χαρακτηριστικές αγωγής κατηγοριοποιούνται ως εξής: Περιοχή αποκοπής (cut-off region). Η τάση πύλης - πηγής είναι µικρότερη από την τάση κατωφλίου, και η ροή του ρεύµατος είναι 0. Μη κορεσµένη περιοχή (non-saturated) ή γραµµική (linear). Το κανάλι έχει αντιστραφεί ελαφριά και το ρεύµα εξαρτάται από τις τάσεις πύλης - υποδοχής. Περιοχή κόρου (saturated region). Το κανάλι έχει έντονα αντιστραφεί και το ρεύµα υποδοχής είναι ανεξάρτητο από την τάση υποδοχήςπηγής. Παράγοντες που επηρεάζουν ρεύµα πηγής - υποδοχής Απόσταση πηγής-υποδοχής Πλάτος καναλιού Τάση κατωφλίου Πάχος µονωτικού οξειδίου ιηλεκτρική σταθ. µονωτή πύλης Κινητικότητα φορέων Θεωρία Τρανζίστορ MOS 11 Τρανζίστορ Πύκνωσης p-mos Η εφαρµογή αρνητικής τάσης στην πύλη σε σχέση µε την πηγή έλκει τις οπές στην περιοχή κάτω από την πύλη µε αποτέλεσµα το κανάλι να αλλάζει από n-τύπου σε p-τύπου και να δηµιουργείται ένα αγώγιµο µονοπάτι µεταξύ πηγής και υποδοχής. Θεωρία Τρανζίστορ MOS 12

Τάση Κατωφλίου V t Τάση κατωφλίου V t είναι η τάση που εφαρµόζεται µεταξύ πύλης και πηγής ενός στοιχείου MOS κάτω από την οποία το ρεύµα υποδοχήςπηγής ουσιαστικά πέφτει στο µηδέν. Παράγοντες που επηρεάζουν την τάση κατωφλίου: Το υλικό του αγωγού πύλης. Το υλικό του µονωτή πύλης. Το πάχος του µονωτή πύλης - νόθευση καναλιού. Οι προσµίξεις στην διασύνδεση πυριτίου -µονωτή. Η τάση µεταξύ πηγής και υποστρώµατος. Η απόλυτη τιµή της τάσης κατωφλίου µειώνεται µε την αύξηση της θερµοκρασίας (2-4 mv/ºc). Θεωρία Τρανζίστορ MOS 13 Ιδανική τάση κατωφλίου ιδανικού πυκνωτή MOS V + V t = Vt mos Τάση Κατωφλίου V t fb Τάση επίπεδης ζώνης V = 2 ϕ + t mos b { kt N A ϕb = ln( ) q Ni V fb 2ε qn Si C Eg Q = ( + ϕb) 2 C fc ox ox A 2ϕ b υναµικό κυρίου σώµατος Για µια δεδοµένη πύλη και το συγκεκριµένο υπόστρωµα, η τάση κατωφλίου µπορεί να µεταβληθεί µε την αλλαγή: 1. της συγκέντρωσης νόθευσης του υποστρώµατος N A 2. της χωρητικότητας του οξειδίου C ox = ε ox / t ox 3. του φορτίου επιφανειακής κατάστασης Q fc Θεωρία Τρανζίστορ MOS 14

Τάση Κατωφλίου V t Η προσαρµογή της τάσης κατωφλίου µπορεί να γίνει µε: 1. µεταβολή της συγκέντρωσης της νόθευσης στα σηµεία επαφής πυριτίου-µονωτή µέσω εµφύτευσης ιόντων (επηρεάζοντας το Q fc ) 2. διαφορετικό µονωτικό υλικό για την πύλη (επηρεάζοντας το C ox ) Θεωρία Τρανζίστορ MOS 15 Επίδραση Σώµατος Body Effect Σε εν σειρά σύνδεση πολλών στοιχείων MOS η τάση πηγής υποστρώµατος αυξάνει καθώς προχωράµε κάθετα κατά µήκος της αλυσίδας των εν σειρά στοιχείων (V sb1 = 0, V sb2 0). Η αύξηση της τάσης υποστρώµατος V sb οδηγεί σε αύξηση της τάσης κατωφλίου V t (V t2 > V t1 ). Θεωρία Τρανζίστορ MOS 16

Τάση κατωφλίου Φαινόµενο Σώµατος Η τάση κατωφλίου V t µεταβάλλεται µε την τάση V sb V t = V [ (2ϕ b + Vsb ) ϕb ] t0 + γ 2 Συντελεστής φαινοµένου σώµατος t ox γ = 2 qε SiN A = 2 ε ox Cox 1 qε N Si A V t0 = τάση κατωφλίου για V sb = 0 γ = σταθερά (συνήθως 0.4 1.2) Θεωρία Τρανζίστορ MOS 17 Εξισώσεις Σχεδίασης Στοιχείου MOS Αποκοπής I ds = 0, V gs V t Περιοχές λειτουργίας Γραµµική Κόρου I ds = β 2 V ( V ) ds gs Vt Vds, 0 < Vds < Vgs Vt ( V V ) gs 2 t 2 I ds = β, 0 < Vgs Vt < V 2 ήv < ήv > ds gd V t gd V t β συντελεστής κέρδους, µ κινητικότητα φορέων, ε επιδεκτικότητα µονωτή πύλης, t ox πάχος µονωτή πύλης, C ox χωρητικότητα οξειδίου W/L λόγος διαστάσεων β = µε t ox β = µ C ox W L W L Θεωρία Τρανζίστορ MOS 18

Συντελεστής κέρδους β β = µε t ox W L β = µ C ox W L Η κινητικότητα των ηλεκτρονίων είναι περίπου 2 3 φορές µεγαλύτερη από την κινητικότητα των οπών. Θεωρία Τρανζίστορ MOS 19 Χαρακτηριστικές I-V για MOS Στοιχεία Γραµµική περιοχή Περιοχή Κόρου Θεωρία Τρανζίστορ MOS 20

Περιοχή Υποκατωφλίου Στην περιοχή αποκοπής (περιοχή υποκατωφλίου) το ρεύµα I ds αυξάνει εκθετικά σε σχέση µε τις τάσεις V ds και V gs. Μπορεί να χρησιµοποιηθεί για κατασκευή κυκλωµάτων µικρής κατανάλωσης ισχύος. Μπορεί να επηρεάσει δυσµενώς τους κόµβους αποθήκευσης φορτίου σε δυναµικά κυκλώµατα. Θεωρία Τρανζίστορ MOS 21 ιαµόρφωση Μήκους Καναλιού Οι αλλαγές στην τάση V ds µεταβάλλουν το µήκος του καναλιού (σηµαντικό για µικρές διαστάσεις στοιχείων). Η µείωση του µήκους καναλιού αυξάνει το λόγο W/L και εποµένως το συντελεστή κέρδους. Το ρεύµα κόρου γίνεται: I ds 2 ( V V ) ( + λv ) k W = gs t 1 2 L ds κ = συντελεστής κέρδους επεξεργασίας µε/t ox λ = εµπειρικός συντελεστής διαµόρφωσης µήκους καναλιού Θεωρία Τρανζίστορ MOS 22

ιαµόρφωση Μήκους Καναλιού Θεωρία Τρανζίστορ MOS 23 Μεταβολή Κινητικότητας Η κινητικότητα περιγράφει την ευκολία µε την οποία οι φορείς ολισθαίνουν στο υλικό του υποστρώµατος. Τα ηλεκτρόνια στο πυρίτιο έχουν πολύ υψηλότερη κινητικότητα από τις οπές µε αποτέλεσµα τα n στοιχεία να έχουν µεγαλύτερη ικανότητα παραγωγής ρεύµατος από τα αντίστοιχα p στοιχεία. Η κινητικότητα µειώνεται µε την αυξανόµενη συγκέντρωση της νόθευσης και την αυξανόµενη θερµοκρασία. Θεωρία Τρανζίστορ MOS 24

Tunneling Όταν το οξείδιο της πύλης είναι πολύ λεπτό, υπάρχει η περίπτωση να υπάρχει ροή ρεύµατος από την πύλη προς την πηγή ή προς την υποδοχή λόγω της διόδευσης ηλεκτρονίων διαµέσου του οξειδίου της πύλης. Το ρεύµα αυτό είναι ανάλογο της επιφάνειας της πύλης του τρανζίστορ και δίνεται από τη σχέση: I FN = C WLE 1 2 ox e E 0 E ox Το φαινόµενο αυτό περιορίζει τη µεταβολή του πάχους του οξειδίου της πύλης. Θεωρία Τρανζίστορ MOS 25 ιάτρηση Υποδοχής Όταν η τάση της υποδοχής είναι αρκετά υψηλή σε σχέση µε την πηγή, η περιοχή αραίωσης γύρω από την υποδοχή µπορεί να επεκταθεί και προς την πηγή, µε συνέπεια τη ροή ρεύµατος ανεξαρτήτως της τάσης της πύλης (ακόµα και για µηδενική τιµή). Θεωρία Τρανζίστορ MOS 26

Επίδραση Ιονισµού Θερµά Ηλεκτρόνια Για µήκη πύλης µικρότερα από 1µ, το ηλεκτρικό πεδίο µπορεί να γίνει τόσο υψηλό ώστε τα ηλεκτρόνια να αποκτήσουν αρκετή ενέργεια µε αποτέλεσµα να γίνουν θερµά. Τα θερµά ηλεκτρόνια επιδρούν στην υποδοχή εκτοπίζοντας τις οπές οι οποίες στη συνέχεια σαρώνονται προς το αρνητικά φορτισµένο υπόστρωµα µε αποτέλεσµα να εµφανίζονται ως ρεύµα υποστρώµατος. Θεωρία Τρανζίστορ MOS 27 Μοντέλα MOS Οι εξισώσεις αναπαριστούν ιδανική συµπεριφορά και δεν µοντελοποιούν µε ακρίβεια ένα συγκεκριµένο στοιχείο σε µια δεδοµένη επεξεργασία. Ανάγκη ερευνητών για ακρίβεια Μεταβαλλόµενα σενάρια σχεδίασης Ανάπτυξη διαφόρων µοντέλων που καλύπτουν διαφορετικές απαιτήσεις ψηφιακής εξοµοίωσης (ακρίβεια - πολυπλοκότητα - ταχύτητα). Σύνηθες µοντέλο SPICE στο επίπεδο 3 (Level 3). Θεωρία Τρανζίστορ MOS 28

Μοντέλα MOS Θεωρία Τρανζίστορ MOS 29 Χαρακτηριστικές DC Αντιστροφέα CMOS V gsp = V in V DD V dsp = V out -V DD V gsn = V in V dsn = V out Θεωρία Τρανζίστορ MOS 30

Χαρακτηριστικές DC Αντιστροφέα CMOS n-mos p-mos INVERTER Θεωρία Τρανζίστορ MOS 31 Χαρακτηριστικές DC Αντιστροφέα CMOS Θεωρία Τρανζίστορ MOS 32

Χαρακτηριστικές DC Αντιστροφέα CMOS Περιοχή A 0 V in <V tn n-mos: αποκοπή p-mos: γραµµική V out = V DD Θεωρία Τρανζίστορ MOS 33 Χαρακτηριστικές DC Αντιστροφέα CMOS Περιοχή Β V tn V in < V DD /2 V + out = ( V ( V in in V tp ) 2 Vtp ) 2 Vin V 2 DD n-mos: κόρος p-mos: γραµµική Vtp V DD β n ( V β p in V tn ) 2 Θεωρία Τρανζίστορ MOS 34

Χαρακτηριστικές DC Αντιστροφέα CMOS V in V = Περιοχή C DD + V tp 1+ + V β n-mos: κόρος p-mos: κόρος n tn β p β n β p Για β n = β p και V tn =-V tp V in = V DD /2 V in V tn < V out < V in -V tp Θεωρία Τρανζίστορ MOS 35 Χαρακτηριστικές DC Αντιστροφέα CMOS Περιοχή D V DD /2 < V in V DD + V tp n-mos: γραµµική p-mos: κόρος V out = ( V ( V in in V tn ) 2 β p Vtn) ( Vin V β n DD V tp ) 2 Θεωρία Τρανζίστορ MOS 36

Χαρακτηριστικές DC Αντιστροφέα CMOS Περιοχή Ε V DD +V tp V in <V DD n-mos: γραµµική p-mos: αποκοπή V out = V ss = 0 Θεωρία Τρανζίστορ MOS 37 Χαρακτηριστικές DC Αντιστροφέα CMOS Το σηµείο µεταγωγής βρίσκεται στο µισό του πλάτους τροφοδοσίας. Στην διάρκεια της µετάβασης και τα δύο τρανζίστορ άγουν (παλµός ρεύµατος). Περιοχές λειτουργίας αντιστροφέα Α: [0, V tn ) το n σε αποκοπή και το p στην γραµµική Β: [V tn, V DD /2) το n στον κόρο και το p στην γραµµική C: V DD /2 τα n, p στον κόρο D: (V DD /2, V DD +V tp ] το n στην γραµµική και το p στον κόρο E: (V DD +V tp, V DD ] το n στην γραµµική και το p σε αποκοπή Θεωρία Τρανζίστορ MOS 38

Λόγος β n /β p Ο λόγος επηρεάζει άµεσα την καµπύλη µεταφοράς και εξαρτάται από τις διαστάσεις του καναλιού (W, L). Ένας λόγος β n /β p ίσος µε 1 είναι επιθυµητός επειδή επιτρέπει ένα χωρητικό φορτίο να φορτίζεται και να εκφορτίζεται σε ίσους χρόνους. Ο λόγος β n /β p είναι ανεξάρτητος από τη θερµοκρασία. Η αύξηση της θερµοκρασίας µειώνει τα V tn και V tp µε αποτέλεσµα τη µετατόπιση της χαρακτηριστικής µεταφοράς προς τα αριστερά. Θεωρία Τρανζίστορ MOS 39 Περιθώριο Θορύβου Το περιθώριο θορύβου επιτρέπει να προσδιοριστεί µια επιτρεπτή τάση θορύβου στην είσοδο µιας πύλης έτσι ώστε να µην επηρεάζεται η έξοδος. Χαµηλό περιθώριο θορύβου ΝΜ L = V ILmax -V OLmax Υψηλό περιθώριο θορύβου ΝΜ H = V OHmin -V IHmin V ILmax V IHmin = µέγιστη τάση εισόδου LOW = ελάχιστη τάση εισόδου HIGH V OLmax = µέγιστη τάση εξόδου LOW V OHmin = ελάχιστη τάση εξόδου HIGH Με µειωµένο το ΝΜ L ή το ΝΜ H η πύλη είναι ευαίσθητη στον θόρυβο µεταγωγής που παρουσιάζεται στις εισόδους Θεωρία Τρανζίστορ MOS 40

Περιθώριο Θορύβου Θεωρία Τρανζίστορ MOS 41 Περιθώριο Θορύβου NM L = V IL V OL = 2.3V NM H = V OH V IH = 1.7V Θεωρία Τρανζίστορ MOS 42

Αντιστροφείς Στατικού Φορτίου MOS V in V tn Αποκοπή V tn V in <V out +V tn Κόρος V out +V tn V in Γραµµική Υλοποιούνται χρησιµοποιώντας τρανζίστορ µε επεξεργασία CMOS µε: Μη-νοθευµένο πολυπυρίτιο µε µεγάλη αντίσταση Τρανζίστορ-φορτίο πολωµένο για χρήση ως αντίσταση Τρανζίστορ-φορτίο στον κόρο (πηγή σταθερού ρεύµατος) Θεωρία Τρανζίστορ MOS 43 Αντιστροφέας Ψεύδο-nMOS Η πύλη του p-mos φορτίου είναι µόνιµα γειωµένη. Ο λόγος β n /β p επηρεάζει τη µορφή της χαρακτηριστικής καθώς και την τιµή V OL. Όταν ο n-mos οδηγός είναι κλειστός, ρεύµα DC ρέει µέσα στο κύκλωµα αυξηµένη κατανάλωση ισχύος. Το p-mos στοιχείο λειτουργεί στη γραµµική περιοχή. Θεωρία Τρανζίστορ MOS 44

Αντιστροφέας Ψεύδο-nMOS β n /β p NM L NM H 2 2.0 0.5 4 1.2 1.7 6 1.05 2.2 8 0.86 2.6 100 0.5 3.9 Θεωρία Τρανζίστορ MOS 45 Ψεύδο-nMOS Αντιστροφέας µε φορτίο σταθερής πηγής ρεύµατος Θεωρία Τρανζίστορ MOS 46

Αντιστροφέας Κορεσµένου Φορτίου (1) β driver /β load = 4 V OL = 0.24V V IH = 2.2V V OH = 3.8V V IL = 0.56V NM L = 0.32V NM H = 1.6V Χρησιµοποιεί µόνο n-mos στοιχεία. Η υψηλή στάθµη εξόδου είναι ίση µε V DD -V tn. Θεωρία Τρανζίστορ MOS 47 Αντιστροφέας Κορεσµένου Φορτίου (2) β n /β p = 4 V OL = 0.24V V IH = 2.1V V OH = 4.4V V IL = 0.5V NM L = 0.26V NM H = 2.3V Η πύλη του p-mos φορτίου είναι συνδεδεµένη στην έξοδο. Η υψηλή στάθµη εξόδου είναι ίση µε V DD -V tp. Θεωρία Τρανζίστορ MOS 48

Αντιστροφέας µε Φορτίο Αραίωσης V in V out driver load V OL V OH Αποκοπή Γραµµική V IL ~V OH Κόρος Γραµµική V IH µικρή Γραµµική Κόρος V OH V OL Γραµµική Κόρος Χρησιµοποιεί φορτίο αραίωσης n-mos. Η υψηλή στάθµη εξόδου είναι ίση µε V DD. Θεωρία Τρανζίστορ MOS 49 Αντιστροφέας για ιασύνδεση µε TTL Χρησιµοποιείται για διασύνδεση µε λογικά κυκλώµατα TTL. Θεωρία Τρανζίστορ MOS 50

Πύλη µετάδοσης Η πύλη µετάδοσης υλοποιείται µε ένα n-mos και ένα p-mos στοιχείο µε κοινές συνδέσεις στην πηγή και στην υποδοχή. Θεωρία Τρανζίστορ MOS 51 Πύλη Μετάδοσης Τρανζίστορ περάσµατος n-mos S = 1 V in = V DD I Το n-mos στοιχείο αδυνατεί να µεταδώσει το V DD χωρίς µεταβολή. Το n-mos στοιχείο µεταδίδει το V SS χωρίς πρόβληµα. Θεωρία Τρανζίστορ MOS 52

Πύλη Μετάδοσης Τρανζίστορ περάσµατος n-mos S = 1 V in = V SS I Το n-mos στοιχείο αδυνατεί να µεταδώσει το V DD χωρίς µεταβολή. Το n-mos στοιχείο µεταδίδει το V SS χωρίς πρόβληµα. Θεωρία Τρανζίστορ MOS 53 Πύλη Μετάδοσης Τρανζίστορ περάσµατος p-mos Το p-mos στοιχείο αδυνατεί να µεταδώσει το V SS χωρίς µεταβολή. Το p-mos στοιχείο µεταδίδει το V DD χωρίς πρόβληµα. Θεωρία Τρανζίστορ MOS 54

Πύλη Μετάδοσης Θεωρία Τρανζίστορ MOS 55 Πύλη Μετάδοσης S = 0 (-S = 1) S = 1 (-S = 0) n-device = off p-device = off V in = V SS, V out = Z V in = V DD, V out = Z n-device = on p-device = on V in = V SS, V out = V SS V in = V DD, V out = V DD Η λειτουργία της πύλης µετάδοσης ελέγχεται από ένα σήµα δύο καταστάσεων. Θεωρία Τρανζίστορ MOS 56

Πύλη Μετάδοσης p-mos n-mos n-mos p-mos Περιοχή n-mos p-mos Α Γραµµική Αποκοπή Β Γραµµική Γραµµική C Αποκοπή Γραµµική Θεωρία Τρανζίστορ MOS 57 Τρισταθής Αντιστροφέας Προκύπτει από τη σύνδεση ενός αντιστροφέα CMOS και µιας πύλης µετάδοσης. Για ίδιο µέγεθος n- και p- στοιχείων ο τρισταθής αντιστροφέας έχει τη µισή ταχύτητα ενός CMOS αντιστροφέα. Θεωρία Τρανζίστορ MOS 58