Υ52 Σχεδίαση Ψηφιακών Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων και Συστημάτων Δεληγιαννίδης Σταύρος Φυσικός, MsC in Microelectronic Design TEI Πελοποννήσου Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής Τ.Ε. 1
ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΠΕΔΙΟΥ - MOSFET Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (field effect transistors FETs) Αποτελούν βασικές δομικές μονάδες για την κατασκευή αναλογικών και ψηφιακών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, κυρίως εξαιτίας των μικρών τους διαστάσεων και της χαμηλής κατανάλωσης ηλεκτρικής ισχύος. Είναι ηλεκτρονικές διατάξεις τριών ακροδεκτών, στις οποίες η αγωγιμότητα μεταξύ των δύο ακροδεκτών καθορίζεται από την τάση που εφαρμόζεται στον τρίτο ακροδέκτη. 2
ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΠΕΔΙΟΥ - MOSFET Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (field effect transistors FETs) Χαρακτηριστικά μέλη της οικογένειας των FET είναι τα : JFET (junction FET), MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET), MESFET (Metal-SemiconductorFET), OFET(OrganicFET) κ.α. 3
Αρχή λειτουργίας των FET Σκοπός της λειτουργίας των FET είναι η μεταβολή της αντίστασης (ή, ισοδύναμα, της αγωγιμότητας) ενός ημιαγωγού με την εφαρμογή ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. Στην επίδραση του εξωτερικού πεδίου οφείλεται και η ονομασία των FET. 4
Αρχή λειτουργίας των jfet Απουσία πόλωσης (αρχικά) Ύπαρξη δύο επαφών p-n, σε κάθε μία από τις οποίες αντιστοιχεί και μια περιοχή απογύμνωσης Τμήματα τύπου p συνδέονται μεταξύ τους εξωτερικά μέσω ωμικών επαφών και αποτελούν από κοινού την πύλη (gate) Δύο ισοδύναμους (συμμετρικούς) ακροδέκτες: την πηγή (source) και την εκροή (drain) 5
Αρχή λειτουργίας των jfet (i)συνδέουμε στους ακροδέκτες της πηγής και της εκροής μια πηγή τάσης, διατηρώντας τον ακροδέκτη της πύλης σε μηδενικό δυναμικό. Το κύκλωμα θα διαρρέεται από ρεύμα, η συμβατική φορά υποδηλώνεται από το βέλος. Τα ηλεκτρόνια διέρχονται από το σώμα του τρανζίστορ μέσω του αγώγιμου καναλιού μεταξύ των περιοχών απογύμνωσης, ξεκινώντας από τη πηγή και καταλήγοντας στην εκροή. Το γεγονός αυτό δικαιολογεί τις αντίστοιχες ονομασίες. Οι περιοχές απογύμνωσης παύουν να είναι συμμετρικές, διευρυνόμενες προς την περιοχή της εκροής όπου οι τάσεις ανάστροφης πόλωσης των επαφών p-n είναι ισχυρότερες. 6
Αρχή λειτουργίας των jfet (ii) εφαρμόζουμε μια μικρή τάση στον ακροδέκτη της πύλης Είναι αρνητική τάση η εφαρμογή της οποίας αυξάνει περισσότερο την τάση ανάστροφης πόλωσης των επαφών, γεγονός που οδηγεί στην περαιτέρω διεύρυνση των περιοχών απογύμνωσης, σε βάρος του εύρους του μεταξύ τους αγώγιμου καναλιού. Κατά συνέπεια, η ένταση του ρεύματος το οποίο διαρρέει την επαφή θα μειωθεί. 7
Αρχή λειτουργίας των jfet (iii) Περαιτέρω αύξηση της (αρνητικής) τάσης στην πύλη θα οδηγήσει σε ακόμα μεγαλύτερη μείωση του ρεύματος, μέχρις ότου οι περιοχές απογύμνωσης συνενωθούν οπότε και έχουμε στραγγαλισμό (pinch-off) του καναλιού και διακοπή του κυκλώματος. Συμπέρασμα Αρχή λειτουργίας jfet το ηλεκτρικό πεδίο το οποίο οφείλεται στο δυναμικό της πύλης παρέχει τη δυνατότητα μεταβολής της αγωγιμότητας του JFET, που συμπεριφέρεται σαν μια αντίσταση της οποίας η τιμή ελέγχεται από το δυναμικό της πύλης. 8
Αρχή λειτουργίας των MOSFET Metal- Oxide-Semiconductor Πλεονεκτήματα : 1) Μικρότερο όγκο από τα διπολικά τρανζίστορ. 2) Μπορούν να τοποθετηθούν πολύ κοντά το ένα στο άλλο 3) Είναι ηλεκτρονικά απομονωμένα από το υπόστρωμα 4) Μπορούν να συνδεθούν σαν αντιστάσεις ή πυκνωτές οπότε έχουμε ολοκληρωμένα κυκλώματα που αποτελούνται μόνο από transistor MOS Μειονεκτήματα: Η μέγιστη τάση λειτουργίας 10V και μπορούν να αποδώσουν μέγιστο ρεύμα μερικών δεκάδων ma. Για εφαρμογές μεγαλύτερης ισχύος MOSFET ειδικής κατασκευής (MOSFET ισχύος power MOSFETs 9
Αρχή λειτουργίας των MOSFET Yπόστρωμα (substrate) από ημιαγωγό τύπου p, πάνω στο οποίο έχουν αναπτυχθεί δύο γειτονικές περιοχές τύπου n, Δύο επαφές p-n, γύρω από τη διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ των δύο τύπων ημιαγωγού σχηματίζονται περιοχές απογύμνωσης, που χαρακτηρίζονται από την απουσία φορέων και την ύπαρξη φορτίων χώρου. Παρά την ύπαρξη ηλεκτρικής τάση μεταξύ των δύο τμημάτων τύπου n, η διέλευση ρεύματος δεν είναι δυνατή, εξαιτίας της ύπαρξης των περιοχών απογύμνωσης που διευρύνεται με την εφαρμογή της εξωτερικής τάσης. 10
Αρχή λειτουργίας των MOSFET Διαστρωμάτωση των υλικών : Μέταλλο (πύλη) οξείδιο (διηλεκτρικό) ημιαγωγός (υπόστρωμα). Η παρατήρηση αυτή εξηγεί την ονομασία MOS (Metal- OxideSemiconductor). Τοποθετούμε ένα μεταλλικό ηλεκτρόδιο (πύλη gate) στην περιοχή μεταξύ των δύο τμημάτων τύπου n. Για να αποφύγουμε την ηλεκτρική επαφή μεταξύ ηλεκτροδίου και υποστρώματος παρεμβάλουμε ένα πολύ λεπτό στρώμα διηλεκτρικού (μονωτή). Το πάχος του στρώματος αυτού θα πρέπει να είναι όσο το δυνατό πιο μικρό ώστε το ηλεκτρικό πεδίο που θα δημιουργεί η πύλη, όταν σε αυτήν εφαρμοστεί ηλεκτρικό δυναμικό, να μπορεί να επηρεάσει τους ηλεκτρικούς φορείς στο εσωτερικό του ημιαγωγού. Το υλικό του διηλεκτρικού της πύλης είναι συνήθως οξείδιο του πυριτίου (SiO 2 ). 11
Αρχή λειτουργίας των MOSFET Με Θετική ηλεκτρική τάση στην πύλη, ηλεκτρόνια από το υπόστρωμα θα συσσωρευθούν (θα επαχθούν) στην επιφάνεια του ημιαγωγού που γειτνιάζει με την πύλη. Αντίστοιχα, οι επιφανειακές οπές θα απωθηθούν στα ενδότερα του υποστρώματος. Στην ισορροπία, η διάταξη θα εμφανίζει την εικόνα του Σχήματος Ένα επιφανειακό στρώμα (κανάλι) από επαγωγή φορέων σχηματίζεται μεταξύ των περιοχών τύπου n. Το κανάλι αυτό είναι ηλεκτρικά απομονωμένο από το υπόστρωμα λόγω της περιοχής απογύμνωσης που σχηματίζεται κάτω από αυτό. 12
Αρχή λειτουργίας των MOSFET H διάταξη επιτρέπει τη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος μεταξύ των δύο τμημάτων τύπου n μέσω του επαγόμενου καναλιού, όπως φαίνεται στο Σχήμα Εξαιτίας της συμμετρίας της διάταξης η φορά του ρεύματος αυτού μπορεί να αναστραφεί (με την αλλαγή πολικότητας της τάσης που το προκαλεί). 13
Αρχή λειτουργίας των MOSFET παρατηρήσεις Με μηδενικό (ή αρνητικό) δυναμικό στην πύλη, τοmos βρίσκεται στην αποκοπή. Απαγορεύει, δηλαδή, τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος. Με ικανό θετικό δυναμικό στην πύλη το τρανζίστορ άγει. Συνεπώς μπορεί να λειτουργήσει ως διακόπτης ελεγχόμενος από τάση. Επιπλέον, μπορεί να συμπεριφέρεται ως αντιστάτης ελεγχόμενος από τάση και ως πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από τάση. Το τελευταίο μπορούμε να το εκμεταλλευθούμε για τη σχεδίαση κυκλωμάτων ενισχυτών. 14
Τύποι MOSFETs Τρανζίστορ nmos: Δομή, ακροδέκτες, συμβολισμοί πηγή (source S) βρίσκεται στο χαμηλότερο δυναμικό (και από αυτόν «πηγάζουν» οι φορείς αγωγιμότητας [ηλεκτρόνια]) εκροή (drain D) βρίσκεται σε υψηλότερο δυναμικό (και από τον οποίο «εκρέουν» [εξέρχονται] οι φορείς αγωγιμότητας [ηλεκτρόνια]) πύλη (gate- G) Στα διακριτά τρανζίστορ nmos η πηγή είναι εκ κατασκευής βραχυκυκλωμένη με το υπόστρωμα. Στα ολοκληρωμένα το υπόστρωμα θεωρείται ως τέταρτος ακροδέκτης και συμβολίζεται με B (από το bulk). 15
Τύποι MOSFETs Τρανζίστορ pmos: Δομή, ακροδέκτες,συμβολισμοί Yπόστρωμα τύπου n, πάνω στο οποίο έχουν αναπτυχθεί νησίδες τύπου p. Oι φορείς μειονότητας που σχηματίζουν το επαγόμενο κανάλι είναι οπές. Ένα τέτοιο τρανζίστορ χαρακτηρίζεται ως MOSFET με κανάλι τύπου p, ή pmos. Στα MOSFET που έχουμε δει το αγώγιμο κανάλι επάγεται με την εφαρμογή κατάλληλης τάσης στην πύλη. Για τον λόγο αυτό τα τρανζίστορ αυτού του τύπου χαρακτηρίζονται ως MOSFET επαγωγής (ή προσαύξησης) καναλιού (enhancement type MOSFETs). 16
Τύποι MOSFETs το κανάλι είναι προ-σχηματισμένο MOSFET απογύμνωσης καναλιού (depletion type MOSFETs) Αν η τάση που εφαρμόζεται στην πύλη είναι μηδενική (ως προς την πηγή), η εφαρμογή τάσης μεταξύ πηγής και εκροής προκαλεί ηλεκτρικό ρεύμα μεταξύ των ακροδεκτών (i). Η εφαρμογή αρνητικού δυναμικού στην πύλη οδηγεί στην άπωση των ηλεκτρονίων του καναλιού και στο σχηματισμό μιας περιοχής απογύμνωσης, η οποία περιορίζει την αγωγιμότητά του (ii) 17
Σύμβολα MOSFETs 18
Σύμβολα MOSFETs 19
Περιοχές λειτουργίας του τρανζίστορ MOS VG = 0 το κανάλι είναι αποκομμένο. (βλ προηγούμενα) VG < VΤ (Τάση κατωφλίου) απογυμνώνεται από φορείς πλειοψηφίας (οπές) VG > VΤτο ηλεκτρικό πεδίο της πύλης υπερνικά εκείνο της περιοχής φορτίων χώρου επιτρέποντας την ανάδυση των φορέων μειονότητας στην επιφάνεια του ημιαγωγού και τον σχηματισμό αγώγιμου καναλιού. Λόγω του ότι οι φορείς πλειοψηφίας στο κανάλι είναι τα ηλεκτρόνια, το επιφανειακό στρώμα χαρακτηρίζεται ως στρώμα αναστροφής (inversion layer), εξαιτίας της αλλαγής του τύπου του (από p σε n). 20
Περιοχές λειτουργίας του τρανζίστορ MOS Με την εφαρμογή θετικής τάσης στην εκροή το ηλεκτρικό πεδίο που συντελεί στον σχηματισμό του καναλιού είναι ισχυρότερο προς την πλευρά της πηγής και ασθενέστερο προς την πλευρά της εκροής. Για μηδενική ή πολύ μικρή τάση εκροής το κανάλι είναι πλήρως σχηματισμένο, όπως φαίνεται στο Σχήμα. 21
Περιοχές λειτουργίας του τρανζίστορ MOS Αυξάνοντας τη τάση της εκροής το κανάλι γίνεται πιο ρηχό προς την πλευρά της εκροής. Στην περιοχή αυτή το MOSFET παρουσιάζει συμπεριφορά παρόμοια με εκείνη τριόδου λυχνίας και για τον λόγο αυτό λέμε ότι βρίσκεται στην περιοχή τριόδου (triode region). Μείωση της αγωγιμότητας του καναλιού. Όσο αυξάνεται η τάση στην εκροή η αντίσταση του καναλιού θα αυξάνεται και άρα η κλίση της χαρακτηριστικής ρεύματος τάσης θα μειώνεται, 22
Περιοχές λειτουργίας του τρανζίστορ MOS το κανάλι διαρρηγνύεται για ορισμένη τιμή της τάσης αυτής (V Dsat ). Στην οριακή αυτή περίπτωση το «βάθος» του καναλιού στα όρια της εκροής μηδενίζεται και λέμε τότε ότι έχουμε διάρρηξη (ή στραγγαλισμό pinch-off) του καναλιού 23
Περιοχές λειτουργίας του τρανζίστορ MOS Το κανάλι χάνει την ηλεκτρική επαφή με την εκροή και το ρεύμα που διαρρέει τη διάταξη παραμένει σταθερό και ανεξάρτητο της τάσης εκροής. Στην περίπτωση αυτή το MOSFET βρίσκεται στην περιοχή κόρου (saturation region) και η τάση V Dsat ονομάζεται τάση κόρου. Στην περιοχή κόρου το MOS λειτουργεί ως πηγή ρεύματος και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ενίσχυση. Επομένως, o ενεργός τρόπος λειτουργίας (active mode) για ένα MOSFET αφορά λειτουργία στην περιοχή κόρου. Η περιοχή κόρου αναφέρεται συχνά και ως ενεργός περιοχή. 24
Χαρακτηριστικές ρεύματος τάσης ιδανικού τρανζίστορ nmos 25
Μαθηματικό Μοντέλο όπου µn η ευκινησία ηλεκτρονίων/οπών, ε η διηλεκτρική σταθερά του διηλεκτρικού (μονωτή) της πύλης, L το μήκος του καναλιού, W το πλάτος του καναλιού και t ox το πάχος του διηλεκτρικού της πύλης 26
Μαθηματικό Μοντέλο όπου µp η ευκινησία οπών, ε η διηλεκτρική σταθερά του διηλεκτρικού (μονωτή) της πύλης, L το μήκος του καναλιού, W το πλάτος του καναλιού και tox το πάχος του διηλεκτρικού της πύλης 27
Μαθηματικό Μοντέλο Μια ακριβέστερη έκφραση για το ρεύμα καναλιού στον κόρο, η οποία λαμβάνει υπόψη της τη μη μηδενική κλίση των χαρακτηριστικών ρεύματος τάσης του MOSFET, είναι η εξής: Ids όπου λ ο παράγοντας διαμόρφωσης μήκους του καναλιού (channel length modulation parameter) ο οποίος εκφράζει τη σχέση του ρεύματος κόρου με την τάση εκροής πηγής σε ένα μη ιδανικό MOSFET. 28
Γεωμετρικά χαρακτηριστικά 29
Πόλωση Πόλωση στην πύλη Εστιάζουμε στην περίπτωση πόλωσης στην περιοχή κόρου, όπου το ρεύμα του καναλιού είναι ανεξάρτητο της τάσης εκροήςπηγής και εξαρτάται μόνο από την τάση πύλης - πηγής. κατάλληλη ρύθμιση της τάσης V GS παρέχει την επιθυμητή τιμή ρεύματος I DS, ενώ η τιμή της τάσης V DS ρυθμίζεται με κατάλληλη εκλογή της αντίστασης R D. Πλεονέκτημα : Απλή Μειονέκτημα: αστάθειας, η τιμή του ρεύματος κόρου εξαρτάται από την τιμή της τάσης κατωφλίου του τρανζίστορ, καθώς και από τις διαστάσεις του καναλιού, τα οποία δεν μπορούν να ελεγχθούν με απόλυτη ακρίβεια. 30
Πόλωση Πόλωση με εκφυλισμό της πηγής Αν τότε από την οποία προκύπτει πως το ρεύμα του καναλιού εξαρτάται μόνο από τις τιμές των αντιστατών R 1, R 2 (οι οποίες καθορίζουν την τάση V G ) και από την τιμή της R S, δηλαδή μόνο από «εξωτερικά» κυκλωματικά στοιχεία και όχι από τις παραμέτρους του τρανζίστορ (όπως πριν), παρατήρηση η οποία επιβεβαιώνει και την ευστάθεια της πόλωσης. 31
Πόλωση Πόλωση με πηγή ρεύματος κατά τη σχεδίαση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, η χρήση αντιστάσεων πόλωσης είναι ανεπιθύμητη κυρίως λόγω της μεγάλης επιφάνειας την οποία καταλαμβάνουν. Η πόλωση του κυκλώματος στο επιθυμητό σημείο λειτουργίας εξασφαλίζεται με κατάλληλη ρύθμιση της πηγής ρεύματος η οποία επιβάλλει στο ρεύμα καναλιού την ίδια τιμή (I = I DS ) 32
Ασκήσεις Άσκηση 1 Ένα MOSFET είναι πολωμένο κατά τέτοιον τρόπο ώστε τα δυναμικά στην πηγή, στην πύλη και στην εκροή του να είναι 4V, 2V και 1V, αντίστοιχα. Αν η τάση κατωφλίου του τρανζίστορ είναι ίση με -0.8V, το μήκος του καναλιού είναι ίσο με 2μm, το πλάτος του καναλιού είναι ίσο με 10μm και k =100μΑ/V2, να βρεθεί : α) ο τύπος του MOSFET, β) η περιοχή λειτουργίας του και γ) το ρεύμα καναλιού του. (Να αγνοήσετε το φαινόμενο διαμόρφωσης του μήκους του καναλιού). [δίνεται : k = (μp. ε)/tox ] 33
Ασκήσεις Άσκηση 2 Δίνεται το κύκλωμα του σχήματος, για το τρανζίστορ του οποίου ισχύουν VT =-2V, k p =8 μα/v2. Αν το μήκος του καναλιού του MOSFET είναι ίσο με 10μm, να βρεθούν Α) οι τιμές του πλάτους του και Β) της αντίστασης R οι οποίες εξασφαλίζουν ρεύμα καναλιού ίσο με 0.1mA και δυναμικό εκροής ίσο με 2V. Δίνεται ότι η τάση τροφοδοσίας VSS ισούται με 5V. (Να αγνοήσετε το φαινόμενο διαμόρφωσης του μήκους του καναλιού). [δίνεται : k = (μp. ε)/tox ] 34
Ασκήσεις Άσκηση 3 Για το κύκλωμα του Σχήματος δίνονται VDD =15V, R1 =8MΩ, R2 =7MΩ, RD= RS = 10kΩ. Αν για το τρανζίστορ γνωρίζουμε ότι VT =1V και K=500μA/V2, να βρείτε α)το σημείο ηρεμίας του κυκλώματος και β)να υπολογίσετε το ποσοστό μεταβολής του ρεύματος του καναλιού που αντιστοιχεί σε μεταβολή της τάσης κατωφλίου του τρανζίστορ κατά 50%. Δίνεται: 35
Ασκήσεις Άσκηση 4 Δίνεται το κύκλωμα του σχήματος για το οποίο είναι γνωστό ότι RD=RS=1kΩ και VDD=VSS=5V. Σε ποια περιοχή λειτουργεί το τρανζίστορ, αν K= 0.4 ma/v2 και VT =2V; Δίνεται : 36
Ασκήσεις Άσκηση 5 Να βρεθεί το σημείο λειτουργίας του MOSFET του κυκλώματος. Δίνεται η τάση κατωφλίου του VT = 1V και βn = 250µA/V2. 37