ELEMENTY ELEKTRONICZNE

(1)

ELEMENTY

ELEKTRONICZNE

AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICAW KRAKOWIE Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Katedra Elektroniki

dr inż. Piotr Dziurdzia

paw. C-3, pokój 413; tel. 617-27-02, piotr.dziurdzia@agh.edu.pl

dr inż. Ireneusz Brzozowski

paw. C-3, pokój 512; tel. 617-27-24, ireneusz.brzozowski@agh.edu.pl

TRANZYSTOR POLOWY Z IZOLOWANĄ BRAMKĄ

MOSFET

(metal-oxide-semiconductor field effect transistor)

EiT 2014 r. PD&IB 2

(2)

struktura

METAL-IZOLATOR-PÓŁPRZEWODNIK (MIS)

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – fizyka półprzewodników: M-I-S 3

Najczęściej tlenek krzemu

SiO₂ MOS metal oxide semiconductor np. aluminium

ale też

polikrzem

UG

półprzewodnik

dielektryk metal

metal (kontakt omowy)

bramka

podłoże n albo p

STRUKTURA MOS POLARYZACJA

U_G= 0 U_G< 0

metal SiO

₂

krzem typu p

warstwa akumulacyjna

stan neutralny

(równowaga) akumulacja

E

pole elektryczne

- dziura – nośnik większościowy - jon domieszki akceptorowej

(3)

STRUKTURA MOS POLARYZACJA

U_G> 0 U_G>> 0

warstwa

zubożona warstwa

zubożona warstwa inwersyjna

obszar neutralny

zubożenie inwersja

E

pole elektryczne

E

- dziura – nośnik większościowy - elektron – nośnik mniejszościowy - jon domieszki akceptorowej

STRUKTURA MOS MODEL ENERGETYCZNY

U_G

metal SiO

₂

krzem typu p

MS (typu P)O

wycinek

wycinek poprzeczny przez strukturę MOS

(4)

STRUKTURA MOS MODEL ENERGETYCZNY

M O S (typu P)

metal

EF

qM

energia elektronu w próżni

EC

EF

E_V E_i qS

q_S

półprzewodnik typu p

q_i

izolator

• Praca wyjścia W – energia potrzebna na przeniesienie elektronu z poziomu Fermiego do nieskończoności (W

_∞

- W

_F

), (elektron swobodny w próżni)

q 

_M

, q 

_S

• Powinowactwo elektronowe  - określa pracę wyjścia z poziomu minimalnej energii w paśmie przewodnictwa E

C

q 

_i

, q 

_S

•_M– potencjał wyjścia z metalu

•_S– potencjał wyjścia z półprzewodnika

•_S– powinowactwo elektronowe izolatora

•_S– powinowactwo elektr. półprzewodnika Struktura wyidealizowana

Uproszczenie: - równe prace wyjścia z metalu i półprzewodnika (M, S) – jednakowe poziomy Fermiego - pominięte stany powierzchniowe na granicy dielektryk-półprzewodnik (ład. powierzchniowy) - izolator jednorodny - pominięto ładunek w izolatorze

STRUKTURA MOS: MODEL ENERGETYCZNY POLARYZACJA UJEMNA

M O S (typu P)

metal

EF

izolator

EC

EF

E_V E_i q(S - i )

qU_G

• Poziomy Fermiego w metalu i półprzewodniku różnią się o wartość energii pola elektrycznego qU

_G

• Energia wyjścia z dna pasma przewodnictwa w półprzewodniku do izolatora pozostaje niezmieniona q( 

_S

- 

_i

)

• Krawędzie pasm energetycznych (E

_V

, E

_C

) przyjmują taki sam kształt jak rozkład potencjału  (x)

Czy to jest właściwy kształt pasm przy powierzchni półprzewodnika?

U_G< 0

(5)

STRUKTURA MOS: MODEL ENERGETYCZNY POLARYZACJA UJEMNA

• Krawędzie pasm energetycznych (E

_V

, E

_C

) przyjmują taki sam kształt jak rozkład potencjału  (x)

U_G< 0

M O S (typu P)

metal

E_F

izolator

qU_G

x x_ox

0

E_C

E_F EV

Ei

q(S - i )

qS

x x_ox

0 - -U_G

x_E

potencjał powierzchniowy spadek napięcia na warstwie izolatora ale:

Z powodu małej przewodności półprzewodnika, w porównaniu z metalem,

pole elektryczne wnika w głąb półprzewodnika.

POTENCJAŁ POWIERZCHNIOWY

Czyli jaki?

U_ox _S

xE - współrzędna dla której zanika pole elektryczne w półprzewodniku xd - grubość warstwy

zubożonej xd

STRUKTURA MOS: MODEL ENERGETYCZNY POLARYZACJA

UG < 0

M O S

(typu P)

akumulacja

EF

qUG < 0

EC

EF

EV

Ei

q(_S - _i)

x

 QS

Q_G

UG > 0

M O S

(typu P)

zubożenie

EF

qUG > 0

EC

EF

EV

Ei

x



QS =Qd

(Q_d= -qNAxd)

Q_G x_d

U_G>> 0

M O S

(typu P)

inwersja

EF

qUG >> 0

EC

EF

EV

Ei

x



QS = Qn +Q_d

Q_G x_d

xinw

energia elektronuładunek

(6)

ŁADUNEK WARSTW POWIERZCHNIOWYCH opis ilościowy (1)

Q_G – ładunek bramki

Q_d – ładunek warstwy zubożonej (ang. depletion)

dla półprzewodnika typu p: ład. nieskompensowanych atomów domieszki akceptorowej Q_n – ładunek elektronów w obszarze inwersyjnym

oraz:

ox G

ox

C

U  Q

lub:

ox S

ox

C

U   Q

C_ox – pojemność warstwy dielektrycznej (tlenkowej – oxide)

ponieważ suma ład.: QG + Q_S = 0

(warunek obojętności elektrostatycznej)

napięcie bramki:

U

_G

 U

_ox

 

_s

W ogólnym przypadku

Rozkłady potencjału  i gęstości ładunku  w półprzewodniku są związane równaniem Poissona:

S

x

x 



 ( )

2

 



Całkowity ładunek w półprzewodniku: Q_S

(

x

)

dx

0











_S – względna przenikalność elektryczna półprzewodnika Zatem napięcie bramki:

ox S s

G

C

U    Q

Ładunek w półprzewodniku, w najogólniejszym przypadku, składa się z trzech składników:

• ładunek zjonizowanych atomów domieszek,

•ładunek zjonizowanych centrów generacyjno-rekombinacyjnych i

• ładunek nośników swobodnych.

Zatem, wyznaczenie zależności Q

_S

( 

_s

) można przeprowadzić z różną dokładnością

[W. Marciniak, „Przyrządy półprzewodnikowe MOS”, WNT, Warszawa, 1991].

W najprostszym przybliżeniu uwzględnia się jedynie ładunek zjonizowanych centrów akceptorowych i donorowych o równomiernym

rozkładzie. Na głębokości x

_d

istnieje skokowe przejście od obszaru ładunku przestrzennego do obszaru neutralnego.

ŁADUNEK WARSTW POWIERZCHNIOWYCH opis ilościowy (2)

x



Q_S=Q_d

QG xd

zubożenie

(7)

ŁADUNEK WARSTW POWIERZCHNIOWYCH opis ilościowy (3)

d A

d

qN x

Q  

d A D

d

q N N x

Q  (  )

lub w ogólnym przypadku:

Zatem:

ładunek warstwy zubożonej:

xd – grubość warstwy zubożonej, równa głębokości wnikania pola elektrycznego do półprzewodnika

)

2

1 ( ) (

s

x

d

x    x

Po rozwiązaniu równania Poissona otrzymujemy rozkład



potencjału elektrostatycznego w półprzewodniku:

oraz potencjał powierzchniowy:

S d D A s

x N N q

 

2 )

(  ²

 i ładunek: QSz 2qSNANDs

z – znak, , ustala znak ładunku w zależności od typu półprzewodnika dla zubożenia

s

s

 d

S Q

Q  w przypadku zubożenia:

x



QS =Qd

QG x_d

zubożenie

Potencjały elektrostatyczne 

_S

i 

_F

Potencjały definiuje się względem poziomu E

_i

w głębi półprzewodnika.

Potencjał powierzchniowy 

_S

to różnica między poziomem samoistnym Fermiego E

_i

w głębi półprzewodnika i na powierzchni.

Potencjał Fermiego 

_F

określa położenie poziomu Fermiego E

_F

w stosunku do poziomu samoistnego E

_i

w głębi półprzewodnika.

ŁADUNEK WARSTW POWIERZCHNIOWYCH opis ilościowy (4)

EF qU>> 0G

EC

EF

EV

Ei

M O S

qS qF

Uwaga: oś potencjału zwrócona „do góry” oznacza wartość ujemną (bo ładunek elektronu) Zatem, potencjał Fermiego jest:

• dodatni dla półprzewodnika typu p

• ujemny dla półprzewodnika typu n

Potencjał powierzchniowy _S w stanie zubożenia i inwersji ma ten sam znak co potencjał Fermiego _F

(8)

ŁADUNEK WARSTW POWIERZCHNIOWYCH kondensator MOS (1)

Jeśli do wzoru opisującego

potencjał powierzchniowy: S d D A S

x N N q

 

2 )

(  ²

 podstawimy: QS q

(

NDNA

)

xd

to otrzymamy:

S S

S

C

 Q



gdzie:

d S

S x

C 

2 

C_S

– pojemność całkowita obszaru ładunku przestrzennego

Jest to pojemność warstwy półprzewodnika o grubości x_d/2, określona w ogólnym

przypadku położeniem centroidu tego ładunku

(

współrzędna centroidu: xd/2 dla równomiernego rozkładu gęstości ładunku)

Stan powierzchniowy Typ n (F < 0) Typ p (F > 0)

Akumulacja S > 0 QS < 0 S < 0 QS > 0

Płaskie pasma S = 0 Q_S = 0 S = 0 Q_S = 0

Zubożenie _F < _S < 0 QS > 0 0 < _S < _F QS < 0 Inwersja 2F < S ≤ F Q_S > 0 F ≤ S < 2F Q_S < 0

Silna inwersja S ≤ 2F Q_S > 0 2F ≤ S Q_S < 0 ZAKRESY POTENCJAŁU POWIERZCHNIOWEGO W RÓŻNYCH STANACH KONDENSATORA MOS

w przypadku zubożenia

ŁADUNEK WARSTW POWIERZCHNIOWYCH kondensator MOS (2)

d A D m

S

Q q N N x

Q   (  )

W stanach zubożenia i inwersji

sumaryczny ładunek w półprzewodniku:

ładunek nośników mniejszościowych

Dla małych QS, gdy ładunek Qm jest pomijalnie mały, grubość warstwy ładunku przestrzennego x_d jest:

)

( _D _A

S

d q N N

x Q

 

Gdy rośnie QS (inwersja) szerokość warstwy zubożonej dąży do ustalonej wartości xdmax: )

( 4

max

A D

F S

d q N N

x   

Pojemność różniczkowa kondensatora MOS:

G S G G

dU dQ dU CdQ 

S ox S s S ox S G

C C dQ d dQ d dQ dU C

1 1

1       

ox ox ox x C 

przekształcając: oraz:

S ox

C C

C C C

 

ostatecznie: ^G ^B

Cox CS(UG)

schemat zastępczy

Zatem:

o całkowitej pojemności kondensatora MOS decyduje szeregowe połączenie C_ox i C_S

- coraz większy udział składowej Q_m

obszar zubożony nie powiększa się

s ox

G U

U  

(9)

KONDENSATOR MOS

CH-KA pojemnościowo-napięciowa

dla małych częstotliwości

ładunek Qm „nadąża” za zmianami napięcia, co objawia się zwiększeniem

pojemności dla silnej inwersji

dla dużych częstotliwości

ładunek Q_m NIE„nadąża”

za zmianami napięcia, co objawia się stałą pojemnością dla silnej

inwersji

nierównowagowa

Rysunek zaczerpnięto z W. Marciniak „Przyrządy półprzewodnikowe MOS”, WNT 1991

G B

Cox CS(UG)

C_ox – praktycznie stałe, niezależne od napięcia bramki UG,

C_S – decyduje o

wypadkowej pojemności kondensatora MOS

RZECZYWISTA STRUKTURA MOS

W rzeczywistej strukturze MOS należy uwzględnić:

• Nierówne prace wyjścia z półprzewodnika i metalu – wstępne zagięcie poziomów energetycznych

• Energetyczne stany powierzchniowe na granicy izolator-półprzewodnik – dodatkowy ładunek Q

_SS

• Zanieczyszczenia w obszarze dielektryka – nieskompensowane ładunki

(10)

RZECZYWISTA STRUKTURA MOS KONTAKTOWA RÓŻNICA POTENCJAŁÓW

Kontaktowa różnica potencjałów to efekt różnych prac wyjścia z metalu i półprzewodnika:

S M

ms  



Al

EF

qM = 4,1eV

energia elektronu w próżni

E_C

E_F EV

Ei

qS

q_S = 4,05eV

Si typu p N_A = 1,1E15cm^-3 E_gSi = 1,1eV

F

E_gSi / 2 qi = 0,95eV

SiO2 Egox = 9eV

EF

qU_FB

EC

EF

EV

Ei

3,1eV

3,15eV

Z porównania wykresów energetycznych:

)

(

_S

2

^gSi _F

M ms

E







   

lub inaczej:



ms 



mSi



F

i B T

F n

lnN



 

Kontaktowa różnica potencjałów metal-półprzewodnik samoistny

Koncentracja domieszki w podłożu:

N_A dla pp. typu p N_D dla pp. typu n U_FB – napięcie płaskich pasm,

czyli takie napięcie na bramce, które „wyprostuje”

pasma energetyczne

q kT

T 

 potencjał

elektrotermiczny

STRUKTURA MOS NAPIĘCIE PROGOWE

Napięcie progowe to takie napięcie bramki U

_G

, że półprzewodnik na powierzchni wykazuje własności półprzewodnika samoistnego.

Odpowiada to takiemu napięciu na bramce, że:

F

s



  2

ox d F ox

ef ms T

G

C

Q C

V Q U

F s









 _

  

 ₂

2

U_FB

s D A S

d z q N N

Q  2   

ox F A S F FB

T C

N U q

V  

 ⁴

2 





Często, dla uogólnienia rozważań ładunek zjonizowanych domieszek w podłożu (tutaj Qd) oznaczany jest przez QB - czyli ładunek podłożowy.

Czyli napięcie progowe można zapisać jako:

ox B F FB

T

C

U Q

V   2  

równoważny ładunek powierzchniowy Pewien fikcyjny ładunek na granicy izolator-półprzewodnik związany z ładunkami:

• ruchomym w warstwie tlenku

• nieruchomym w warstwie tlenku

• stanów i pułapek powierzchniowych (na granicy tlenek/półprzewodnik)

Z analizy ładunków można wykazać, że:

lub inaczej dla podłoża p:

(11)

STRUKTURA MOS

NAPIĘCIE PROGOWE - interpretacja Napięcie progowe:

można zinterpretować jako:

ox B F ox

ef ms

T

C

Q C

V    Q  2  

napięcie niezbędne do wyprostowania pasm

energetycznych U

_FB

napięcie potrzebne do zagięcia pasm, tak aby potencjał powierzchniowy był równy podwojonemu potencjałowi Fermiego (silna inwersja: 

_S

= 2 

_F

)

TRANZYSTOR MOS Zróbmy tranzystor

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – tranzystor MOS 22

U> 0 UG >> 0

U> 0

UG =0

Nic z tego! Prąd płynie. Nie ma sterowania przepływem prądu.

I> 0 I> 0

(12)

TRANZYSTOR MOS

Potrzebny jest jakiś zawór jednokierunkowy lub zasobnik z elektronami, bo można wytworzyć warstwę inwersyjną – wyindukować kanał typu n

n+

U> 0 UG >> 0

Jedna dioda to mało!

I> 0

n+

U> 0

I> 0 UG = 0

TRANZYSTOR MOS

n+

U> 0

n+

Teraz dobrze.

Prąd płynie tylko wtedy, gdy są elektrony pod bramką – jest kanał.

Napięcie bramki U_G może sterować wartością prądu przez zmianę grubości kanału

druga dioda lub zasobnik

I= 0 UG = 0

n+

U> 0 UG >> 0

n+

I> 0

Dwie diody

(13)

TRANZYSTOR MOS BUDOWA

Przekrój poprzeczny tranzystora MOS, wzbogacanego z kanałem typu n

L – długość kanału W – szerokość kanału

Rysunek zaczerpnięto z S. Kuta „Elementy i układy elektroniczne”, AGH 2000

0

SiO2

p

TRANZYSTOR MOS DZIAŁANIE (1)

G

B

UGS = 0, UGS < 0

S D

U_DS > 0

I_D=

Gdy nie ma kanału w obwodzie dren-źródło

prąd nie płynie

(pomijając znikomy prąd wsteczny diody)

U_DS

n⁺ n⁺

U_DS I_D

(14)

UDS > 0

SiO2

n⁺

p

n⁺

TRANZYSTOR MOS DZIAŁANIE (2)

G

B

U_GS> V_T

S D

I_D > 0

U

_GS

> V

_T

– inwersja:

zmiany U

_GS

powodują modulację konduktancji kanału sterując prądem drenu

U_DS

n⁺

PRACA LINIOWA

U_DS I_D

p

TRANZYSTOR MOS DZIAŁANIE (3)

G

B

UGS > VT

S D

I_D= const.

NASYCENIE:

zmiany U

_DS

NIEPOWODUJĄ wzrostu prądu drenu

U_DS odcięcie kanału

U_DS= U_GS– V_T dalsze zwiększanie U_DS

U_DS> U_GS– V_T

U_DS I_D

SiO2

n⁺

n⁺ n⁺

U_DS >> 0

(15)

TRANZYSTOR MOS PRĄD DRENU

Spadek napięcia na elemencie y kanału można zapisać jako:

U = ID R (prawo Ohma) przy czym:

gdzie: S – pole pow. przekroju kanału: S = xW

 – rezystywność kanału określona jako:

_e – ruchliwość elektronów

n(y) – koncentracja elektronów jako fun. położenia y w kanale Podstawiając powyższe (2), (3) i (4) do (1) mamy:

Ponieważ n(y) to koncentracja nośników (elektronów) na jednostkę objętości, więc iloczyn: qn(y)x można potraktować jako powierzchniową gęstość ładunku ruchomego w kanale, więc:

Qn(y)=  qn(y)x (znak minus bo nośnikami są elektrony). Zatem spadek napięcia na elemencie y to:

(wg. osi Z ukł. wsp.) obszar zubożony

SiO2

n⁺ n⁺

p

kanał (typu n) Qn(y)

QB(y)

y 0 L

x

y US=0

UGS >0 U_DS>0

I_D

Założenia:

w kanale jest warstwa inwersyjna, źródło zwarte z podłożem, między drenem a źródłem płynie prąd, tranz. pracuje z zakresie nienasycenia.

S ΔR Δy



) ( 1

y n q_e

 

x W y n q

Δy ΔU I

e D

)

 (



(y) Q W

Δy ΔU I

n e

 D





(1) (2) (3) (4)

(5)

(6)

TRANZYSTOR MOS PRĄD DRENU (2)

Powyższe równanie może być przepisane jako:

Zgodnie z rozważaniami dotyczącymi kondensatora MOS, dla przypadku inwersji, ładunek w półprzewodniku można zapisać jako sumę ładunku podłożowego (ujemne zjonizowane atomy domieszki akceptorowej) i ładunku elektronów (ruchomych nośników warstwy inwersyjnej):

QS  Qn + (QB) i podstawiając Qn do równania (7) mamy:

Ładunek w półprzewodniku QS można wyznaczyć z równania:

opisującego napięcie bramki, które zostanie zmodyfikowane o napięcia płaskich pasm, więc napięcie bramki:

Zatem:

Ponieważ pod bramką istnieje warstwa oraz przez kanał płynie prąd wywołujący spadek napięcia U(y) w każdym punkcie kanału, to rozkład potencjału powierzchniowego wzdłuż kanału S(y) należy zapisać jako:

obszar zubożony

SiO2

n⁺ n⁺

p

Q_B(y) y L 0

x

y US=0

UGS >0 UDS >0

ΔU (y) Q Δy W

I_D _e

(

 _n

)



Q(y) Q (y)



ΔU Δy W

I_D 



_e  _S  _B ⁽⁸⁾

(7)

ox S s

G C

U Q

ox S s FB

G C

U Q

U    (9)

(10)

(11) U(y)

(y) _F

S   

 2

Przy źródle potencjał _S wynosi 2_F, to jest warunek silnej inwersji,

a potem, w kierunku drenu,

_S powiększa się o spadek napięcia w kanale.



U U (y)



C (y)

Q_S  _ox _G _FB_s

(16)

TRANZYSTOR MOS PRĄD DRENU (3)

Podstawiając (11) do (10) otrzymujemy równanie na ładunek w półprzewodniku uzależnione od rozkładu napięcia w kanale:

Wykorzystując (12) równanie (8) można podstawić:

Ładunek w podłożu Q_B w równaniu (13) w ogólności zależy od położenia y, ale można dla uproszczenia obliczeń założyć, że jest stały, nie zależny od położenia w kanale i opisany znanym już równaniem:

Zatem równanie (13) można przepisać:

obszar zubożony

SiO2

n⁺ n⁺

p

kanał (typu n) Q_n(y)

Q_B(y) y 0 L

x

y US=0

UGS >0 UDS >0

(14)

(15)

F A S

d q N

Q  4 

(12)

ΔU C U(y)

U Q U W Δy C

I

ox B F FB G e ox

D 



 



 

 



  





 2 



U U U(y)



ΔU Q WΔU

W Δy C

I_D  _ox



_e _G _FB

2 

_F  _B



_e

i dalej przekształcić do postaci:

Następnie uwzględniając

definicję napięcia progowego:

I

_D

Δy  C

_ox



_e

W  U

_G

 V

_T

 U(y)  ΔU

 



^ ^ ^ ^



^

 WC U U U(y) Q(y) ΔU

Δy

ID e ox G FB

2

F B



U U U(y)



ΔU Q(y) WΔU W

C_ox_e _G _FB

2

_F  _B _e



 U U U(y) 

C (y)

Q

_S

 

_ox _G



_FB

 2 

_F



(13)

TRANZYSTOR MOS PRĄD DRENU (4)

obszar zubożony

SiO2

n⁺ n⁺

p

Q_B(y) y L 0

x

y US=0

UGS >0 UDS >0

(17) (16) Teraz wystarczy już tylko scałkować równanie (15) w odpowiednich granicach („po kanale” od 0 do L i „po napięciu” od 0 do U_DS):

otrzymując:

i ostatecznie:

 



 ^

ôx ê Û^DS ^G

^

^T

^

L

D

dy C W U V U(y) dU

I

0 0



 

_



 



  



2

2 DS DS T GS e ox D

U U V U W C L

I



 

_



 



  



2

2 DS DS T GS e

ox D

U U V L U

C W

I



ZAKRES LINIOWY

Gdy napięcie UDS osiągnie wartość UDS = U_GS  VT , to wg równania (17) prąd drenu musiałby maleć (UDS w liniowym zakresie jest kwadratową funkcją UDS). Wtedy przy drenie następuje zanik kanału – nasycenie. Zatem podstawiając ten warunek (U_DS = U_GS  VT ) do równania (17) otrzymujemy wyrażenie na prąd drenu w nasyceniu:

 



 



 



2

2 T GS e

ox D

V U L C W

I



Dla tranzystora typu P prąd drenu i napięcie są ujemne.

ZAKRES NASYCENIA

(17)

TRANZYSTOR MOS

CHARAKTERYSTYKI WYJŚCIOWE

T GS

DS U V

U  

ZAKRES LINIOWY

U_GS > V_Tn

0V < U_DS < U_GS – V_Tn











  

 ( ) 2

2 DS DS T GS ox n D

U U V U L C

I W

ZAKRES NASYCENIA

U_GS > V_Tn U_DS > U_GS – V_Tn > 0V

)2

2 ⁿ ^ox( ^GS ^T

D C U V

L

I W  

ODCIĘCIE UGS < VTn

I_DS = 0

TRANZYSTOR MOS

CHARAKTERYSTYKI WYJŚCIOWE

NMOS PMOS

(18)

TRANZYSTOR MOS

CHARAKTERYSTYKI PRZEJŚCIOWE

ZAKRES LINIOWY

V_GS > V_Tn 0V < V_DS < V_GS – V_Tn



 



  

 ( ) 2

2 DS DS T GS ox n D

U U V U L C

I W

ZAKRES NASYCENIA

V_GS > V_Tn V_DS > V_GS – V_Tn > 0V

)2

2 ⁿ ^ox( ^GS ^T

D C U V

L

I W  

TRANZYSTOR MOS

CHARAKTERYSTYKI PRZEJŚCIOWE

NMOS PMOS

Czy można na tych ch-kach wskazać zakres pracy liniowej i nasycenia?

Jak będzie wyglądała ewentualna krzywa rozdzielająca te zakresy?

(19)

RODZAJE TRANZYSTORÓW MOS

p

Jeśli UGS = 0 to brak kanału

RODZAJE TRANZYSTORÓW MOS

Przy UGS=0 istnieje kanał i możliwy jest przepływ prądu I_D

(20)

TRANZYSTOR MOS EFEKT SKRÓCENIA KANAŁU

dla NMOS

ID

UDS

1/

T GS

DS U V

U  

DS DS T GS ox n

D U U

V U L C I W



  

  2

w zakresie linowym (bez zmian):

) 1 ( ) 2 (

2

DS T

GS ox n

D C U V U

L

I W   

w zakresie nasycenia:

SiO2

n⁺

p

S G

D

B

obszar zubożony L L'

efekt ten często jest nazywany efektem modulacji długości kanału Pod wpływem wzrostu

napięcia UDS skraca się kanał.

Na odcinku L' - U_DSat

n⁺

TRANZYSTOR MOS EFEKT PODŁOŻOWY

)

0

(

s BS s

T

V U

V       

_{dla NMOS}

obszar zubożony SiO2

p

S G D

B

n⁺ n⁺

UBS

NMOS PMOS

 - współczynnik objętościowy

(21)

TRANZYSTOR MOS inne zjawiska

• EFEKT KRÓTKIEGO KANAŁU

ładunki przestrzenne złączy D-B i S-B są bliżej bardziej „przykrywając” obszar kanału

mniejsze napięcie progowe VT

Krótszy kanał

zwiększa się udział składowej wzdłużnej pola elektr. (UDS) w indukowaniu ładunku w kanale

napięcie U_GS musi „wykonać mniejszą pracę”

w celu wytworzenia kanału

SiO2

n⁺ n⁺

p

S G

D

B L obszar zubożony

B

SiO2

n⁺ n⁺

p S G

D

obszar zubożony L'

TRANZYSTOR MOS inne zjawiska

• EFEKT WĄSKIEGO KANAŁU

pole poprzeczne (od nap. bramki) indukuje ładunek przestrzenny nie tylko pod bramką

większe napięcie progowe VT

Węższy kanał

kanał się zwęża więc zwiększa się udział składowej poprzecznej pola elektr. (U_GS) w indukowaniu ładunku poza kanałem

napięcie U_GS musi „wykonać większą pracę”

w celu wytworzenia kanału

płaszczyzna przekroju kanału

p G

B

obszar

zubożony W

SiO2

p G

B W'

SiO2

V_T

W, L wąski kanał

krótki kanał

(22)

TRANZYSTOR MOS inne zjawiska

• ZAKRES PODPROGOWY

 





 





 

 



  



T DS GS

D

U U I

I

⁰

⁽ ⁾ ¹ ^exp 

Słaba inwersja: 

_F

≤ 

_S

< 2 

_F

Dyfuzyjny mechanizm przepływu prądu

W warunkach silnej inwersji koncentracja nośników mniejszościowych przy powierzchni (w kanale) jest większa niż koncentracja nośników

większościowych w głębi półprzewodnika. Stąd zapięcie progowe można zdefiniować jako takie napięcie bramki, że koncentracja …

UGS

ID

V_T zakres podprogowy

ZAKRES PODPROGOWY

TRANZYSTOR MOS WPŁYW TEMPERATURY Na prąd drenu mają wpływ zależności temperaturowe:

– ruchliwości nośników w kanale – napięcia progowego

Temperaturowy współczynnik prądu drenu dla zakresu nasycenia:

Dla ruchliwości (   T

^{– a}

):

Dla napięcia progowego:

E_g nieznacznie maleje gdy temp. rośnie

_F zmienia się o ok. –2mV/K

T V U U T T T

I

TWI I ^T

T GS D

D

D 



 







 

1 ) 2 ( 1



T a T 





 1

F F

ox ef g S m

T s

C Q q

V   E      2

TWI

_D może być dodatni, ujemny lub zerowy w zależności

od napięcia

U

_GS

I_D

U_GS T₁

T₂ T₁ < T₂