ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Μικροηλεκτρονική - VLSI Ενότητα 2: Το Τρανζίστορ Κυριάκης - Μπιτζάρος Ευστάθιος Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε.
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.
Σκοπός Ενότητας Η γνωριμία με τη δομή και τη λειτουργία του τρανζίστορ. Το τρανζίστορ ως διακόπτης για υλοποίηση ψηφιακών συστημάτων
Περιεχόμενα Ενότητας Δομή διπολικού Τρανζίστορ Δομή και λειτουργία MOS Τρανζίστορ Τρανζίστορ επόμενης γενιάς
Διπολικό Transistor B C E n + p + n C B Idealized transistor structure. E
MOS Transistor Gate Oxyde Gate Source n+ Polysilicon Drain n+ Field-Oxyde (SiO 2 ) p-substrate p+ stopper Bulk Contact CROSS-SECTION of NMOS Transistor
The MOS Transistor Μήκος καναλιού (L) Χαρακτηριστικό Τεχνολογίας Gate Oxide Field Oxide P-type GATE N+ N+ Source/Drain Regions Field Oxide
Τύποι MOS Transistors D NMOS Enhancement G S NMOS Depletion PMOS Enhancement
Σχηματισμός του καναλιού (n-τύπου) ++ ++ ++ ++ ++ ++ - - ++
Transistor Operation (V ds =0) S - V GS + G D n+ n+ n-channel p-substrate Depletion Region B
Transistor in Linear Region V GS G V DS < V GS - V T S D n+ n+
Transistor in Saturation V GS G V DS > V GS - V T S D n+ - V GS - V T + n+
Χαρακτηριστικές I-V V DS = V GS -V T V GS = 5V I D (ma) 2 1 Triode Saturation V GS = 4V V GS = 3V Square Dependence 0.020 I D 0.010 Subthreshold Current 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 V DS (V) (a) I D as a function of V DS V GS = 2V V GS = 1V 0.0 V T 1.0 2.0 3.0 V GS (V) (b) I D as a function of V GS (for V DS = 5V). NMOS Enhancement Transistor: W = 100 µm, L = 20 µm
Σχέσεις Ρεύματος-Τάσης
Τάση κατωφλίου (threshold voltage)
PMOS Transistor -4 x 10 0-0.2-0.4 VGS = -1.0V VGS = -1.5V Φορείς πλειονότητας οπές Όλες οι μεταβλητές είναι αρνητικές D (A) I -0.6-0.8 VGS = -2.0V VGS = -2.5V -1-2.5-2 -1.5-1 -0.5 0 V DS (V) Mobility (~1/3 nmos) Μικρότερο Ι D για το ίδιο V gs
Submicron transistor (0.25μm) 2.5 x 10-4 2 Early Saturation VGS= 2.5 V 1.5 VGS= 2.0 V D (A) I 1 VGS= 1.5 V Linear Relationship 0.5 VGS= 1.0 V 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 V DS (V)
Κορεσμός ταχύτητας ) s / m ( n υ υ sat = 10 5 Constant velocity Constant mobility (slope = µ) ξ c = 1.5 ξ (V/µm)
Ρεύμα διαρροής (Subthreshold current) 10-2 10-4 Linear I D I ~ 0 e qv nkt GS, n =1+ C C D ox 10-6 Quadratic D (A) I 10-8 10-10 Exponential 10-12 V T 0 0.5 1 1.5 2 2.5 V GS (V)
Σύγκριση χαρακτηριστικών I D Long-channel device V GS = V DD Short-channel device V DSAT V GS - V T V DS
Δυναμική συμπεριφορά του MOS G C GS C GD S D C SB C GB C DB B
Χωρητικότητα πύλης Polysilicon gate Source n + x d x d W Drain n + L d Top view Gate-bulk overlap t ox Gate oxide n + L n + Cross section
Χωρητικότητα πύλης
Χωρητικότητα διάχυσης
Παρασιτική αντίσταση G Polysilicon gate L D Drain contact V GS,eff S D W R S R D Drain
Αντίσταση στα Ο.Κ. Όπου Sheet Resistance Ohm/square
Μικραίνοντας τις διαστάσεις
Μικραίνοντας τις διαστάσεις http://spectrum.ieee.org/tech-talk/semiconductors/design/intels-new-transistors-enter-the-third-dimension
Μικραίνοντας τις διαστάσεις http://spectrum.ieee.org/semiconductors/devices/startup-seeks-new-life-for-planar-transistors http://spectrum.ieee.org/semiconductors/devices/mems-switches-for-low-power-logic/0
Φαινόμενα δεύτερης τάξης Body effect-threshold voltage Subthreshold region Channel length modulation Mobility variation Fowler-Nordheim Tunneling Drain puntchthrough Hot electrons
Περιοχές λειτουργίας ΜΟS Strong Inversion V GS > V T»Linear (Resistive) V DS < V DSAT»Saturated (Constant Current) V DS V DSAT Weak Inversion (Sub-Threshold) V GS V T»Exponential in V GS with linear V DS dependence
Διακοπτικό μοντέλο V GS R on V GS < V T V GS > V T
Το Transistor ως Διακόπτης 7 x 105 6 5 S V GS V T R on D R eq (Ohm) 4 3 2 1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 V DD (V)
Τέλος Ενότητας