Mikroelektronske tehnologije

Транскрипт

1 2019 Predavanje 12 II semestar (2+2+0) Prof. dr ragan Pantić, kabinet 337

2 6/5/2019 Elektronske komponente - Pasivne komponente 2

3 MOS tranzistori MOS Metal Oxide Semiconductor Tranzistor sa efektom polja FET (Field Effect Transistor) MOSFET Princip rada predložen još godine Prvi Si MOS tranzistor je proizveden tek godine planarna tehnologija Osnovna komponenta IC velike gustine pakovanja, procesora i memorija

4 Struktura MOS tranzistora

5 6/5/2019 Elektronske komponente - Pasivne komponente 5

6 Vrste MOS tranzistora

7 N-kanalni MOS tranzistor

8 P-kanalni MOS tranzistor

9 Označavanje MOS tranzistora

10 Princip rada MOS tranzistora Razmatramo samo MOS tranzistore koji se najčešće koriste u praksi: MOS tranzistor sa indukovanim kanalom MOS tranzistor sa uzemljenim sorsom i supstratom supstrat i sors su kratkospojeni

11

12

13 Na površini, između sorsa i drejna, a jednim delom i iznad njih, nalazi se tanak sloj oksida (SiO 2, Si 3 N 4 ), koji služi kao dielektrik Preko oksida nalazi se gejt (upravljačka elektroda), tanak sloj aluminijuma ili polikristalnog silicijuma

14 S obzirom da su i sors i drejn oblasti suprotne provodnosti od provodnosti supstrata, to se u oblasti sorsa i drejna u supstratu (zato što je koncentracija primesa u supstratu znatno niža nego u sorsu i drejnu) formiraju prelazne oblasti p- n spojeva Zbog toga što su sors i drejn veoma blizu (L je reda m), može doći do toga da se ove oblasti spoje

15 MOS tranzistori koriste efekat poprečnog polja To je polje koje je normalno na površinu, kojim se ostvaruje inverzija tipa provodnosti površinskog sloja poluprovodnika ispod gejta i na taj način formira kanal između sorsa i drejna.

16 Kada se gejt n-kanalnog MOS tranzistora priključi na pozitivan napon u odnosu na p- supstrat, pri čemu su i sors i drejn uzemljeni, u supstratu će se neposredno ispod oksida na njegovoj površini, usled dejstva Kulonove sile, indukovati negativno naelektrisanje i to tako što će se šupljine iz površinskog sloja udaljiti i ostaviti nekompenzovane negativno naelektrisane akceptorske jone.

17 Pri nekoj vrednosti napona na gejtu, koji se zove napon praga i obeležava sa V T, površinski sloj p-supstrata ispod oksida gejta, između sorsa i drejna, ponaša se kao n-tip poluprovodnika. Ta oblast se ponaša kao kanal od sorsa do drejna (sors i drejn su istog tipa provodnosti kao indukovani kanal)

18 Ako se u tim uslovima dovede pozitivan napon na drejn u odnosu na sors, elektroni iz sorsa kroz kanal mogu driftovski da dođu do drejna u tom slučaju između sorsa i drejna će proticati struja drejna Ukoliko je napon na gejtu veći, jača je inverzija i veći je broj elektrona u kanalu. U p-kanalnom MOS tranzistoru inverzija tipa n-supstrata ostvaruje se negativnim naponom na gejtu u odnosu na supstrat, a u indukovanom kanalu se skupljaju šupljine.

19 Izlazne karakteristike MOS tranzistora Proticanje struje kroz n-kanalni MOS tranzistor pri malim naponima na drejnu

20 Pri veoma malim naponima na drejnu kanal se može predstaviti kao otpornik, tako da je struja drejna u jednom delu strujno-naponske (I /V ) karakteristike približno linearno proporcionalna naponu na drejnu To je linearna oblast rada MOS tranzistora

21 Pri naponima V < V G V T, struja drejna sporije raste sa povećavanjem napona na drejnu Kanal se u okolini drejna sužava kao posledica povećavnja širine prelazne oblasti p-n spoja drejn-supstrat, koji je inverzno polarisan. Ta oblast, zajedno sa linearnom oblašću, sve do napona na drejnu V = V G V T se zove triodna oblast (podseća na sličnu oblast na strujno-naponskoj karateristici triode).

22

23 Karakteristike MOS tranzistora u linearnoj oblasti rada

24 Kada u tački y = L debljina kanala postane jednaka nuli, dolazi do prekida kanala i to se dešava pri naponu na drejnu V = V G V T. Napon drejna pri kome nastaje prekid kanala zove se napon zasićenja (saturacije) V sat. Sa daljim povećanjem napona na drejnu, tj. za V > V G V T, dužina kanala se smanjuje sa L na L'.

25 Na prvi pogled može se pomisliti da će struja drejna prestati da teče, ali ona i dalje protiče i sa povećanjem napona na drejnu ostaje konstantna. To znači da broj nosilaca naelektrisanja koji sa sorsa stižu u tačku y = L' ostaje nepromenjen, a s obzirom da su oni zahvaćeni poljem osiromašene oblasti drejna, bivaju prebačeni u drejn, tako da struja drejna ostaje, takođe, nepromenjena i konstantna. Zbog toga se oblast rada MOS tranzistora pri naponima V V sat zove oblast zasićenja.

26

27 Struja između sorsa i drejna ne prestaje i kada se kanal prekine, jer se MOS tranzistor ponaša kao bipolarni tranzistor u stanju prodiranja

28 Na osnovu izraza za gustinu driftovske struje J qnv qn nk y (4.1) struja drejna kroz kanal (pretpostavlja se da koncentracija nosilaca ne zavisi od z) je: I (4.2) J S q K n y W x 0 ndx gde su: S površina kanala normalna na smer struje, K y električno polje u smeru y, W širina kanala, a n efektivna pokretljivost elektrona u kanalu.

29 Kako koncentracija elektrona opada sa udaljavanjem od površine po složenom zakonu, integral u (4.2) je relativno je teško izračunati, pa usvajamo aproksimaciju kojom se vrednost integrala izjednačava sa ukupnom količinom naelektrisanja po jedinici površine kanala (površine gejta), koja zavisi od električnog polja u oksidu: q x 0 ndx dq ds x x ox K x (4.3)

30 Iz (4.2) i (4.3) sledi: I n ox WK Električno polje u pravcu kanala je: K y dv dy y x K (4.4) (4.5) Električno polje u oksidu, koje utiče na provodnost kanala, zavisi od efektivnog napona na gejtu (V Geff = V G V T ) i potencijala tačke y na kanalu. Smatrajući da je oksid homogen i bez prostornog naelektrisanja, debljine t ox, biće: (4.6) K x V Geff t V ox y V G V t Zamenom vrednosti K y iz (4.5) i K x iz (4.6) u (4.4), dobija se: T ox y V n oxw I ( VG VT Vy ) t ox y dv dy y (4.7)

31 Iz jednačine (4.7), razdvajanjem promenljivih i integraljenjem duž kanala, sledi: I L 0 (4.8) Granice za promenljivu y su početak (0) i kraj (L) kanala, a za promenljivu V y napon kod sorsa, V y(0) = 0, i napon kod drejna, V y(l) = V. Posle integraljenja i sređivanja dobija se: I gde je n dy n 2t ox n ox 2t n t W L ox ox ox ox W V 0 ( V G V T V y ) dv 2 2 2( V V ) V V 2( V V ) V V W L G T y n G TRIONA OBLAST T (4.9) (4.10)

32 Jednačina (4.9) za struju drejna važi samo za V G V T V, odnosno u triodnoj oblasti. Za male napone na drejnu drugi član u srednjim zagradama u (4.9) se može zanemariti u odnosu na prvi član, pa je tada struja drejna: I 2 ( V V ) V n G T (4.11) gde je R on otpornost kanala pri malim naponima na drejnu: V R on 1 R on 2 n ( V G V T ) (4.12)

33 Iz (4.11) vidi se da za vrlo male napone na drejnu struja drejna linearno zavisi od napona drejna, tj. tada se MOS tranzistor nalazi u linearnoj (omskoj) oblasti rada. rugim rečima, tada se MOS tranzistor ponaša kao otpornik čija je otpornost kontrolisana naponom između gejta i sorsa. Sa druge strane, kada se u (4.9) uvrsti V G V T = V, dobija se izraz za struju drejna I n V V 2 G T (4.13) koji reprezentuje parabolu koja deli triodnu oblast od oblasti zasićenja na izlaznim karakteristikama MOS tranzistora

34 Realna struja drejna će, ipak, rasti sa porastom napona na drejnu, posebno kod MOS tranzistora sa kratkim kanalima. Ovaj efekat se najjednostavnije može opisati izrazom: I 1 n V 2 V V G T VA (4.14) gde je V A Erlijev napon

35

36

37

38

39

40 MOSFET sa ugrađenim kanalom epletion-mode MOSFET Tranzistor je u svom normalnom stanju, kada je V GS =0V uključen (ON). U slučaju n-kanalnog MOSFETa, potrebno je da se na gejet dovede V GS da bi prešao u OFF stanje. 6/5/2019 Elektronske komponente - Pasivne komponente 40

41 MOSFET bez ugrađenog kanala Enhancement-mode MOSFET Tranzistor je u svom normalnom stanju, kada je V GS =0V zakočen (OFF). U slučaju n-kanalnog MOSFETa, potrebno je da se na gejet dovede +V GS da bi prešao u ON stanje. 6/5/2019 Elektronske komponente - Pasivne komponente 41

42 Prenosne karakteristike MOS tranzistora Prenosne karakteristike MOS tranzistora predstavljaju zavisnost struje drejna od napona na gejtu, I = f(v G ) za V = const obijaju se iz (4.9) za triodnu oblast (V = const): I n 2t ox ox W L 2 2 2( V V ) V V 2( V V ) V V G T I iz (4.11) za oblast zasićenja (V = const): I 2 ( V V ) V n G T V R on n G T

43 Grafička konstrukcija prenosnih karakterisika n- kanalnog MOS tranzistora na osnovu poznatih izlaznih karakterisika

44 Prenosna i izlazne karakteristike p-kanalnog MOS tranzistora

45 EKVIVALENTNO KOLO MOS TRANZISTORA ZA MALE SIGNALE niske učestanosti Kada se na ulaz dovede mali naizmenični signal niske učestanosti, MOS tranzistor se može smatrati linearnom komponentom i mogu se definisati njegovi linearni parametri. Označavajući malim slovom u indeksu veličine koje se odnose na efektivne vrednosti naizmenične struje i napona, za struju drejna, koja zavisi i od napona na gejtu i od napona na drejnu, dobijamo: I d g m V g g d V d (4.15) pri čemu su g m prenosni, a g d izlazni parametar MOS tranzistora, definisani kao: g g m d di dv di dv G V V G I d const. V V 0 I d const. V V 0 g d d g (4.16) (4.17)

46 Prenosni parametar g m se kod MOS tranzistora mnogo češće zove strmina, zato u stvari predstavlja nagib tangente na prenosnu karakteristiku Strmina se može praktično izračunati kao količnik konačnih priraštaja: g m I V G V const I I 2 1. VG 2 VG1 V (4.18) const.

47

48 Grafičko određivanje gm

49 o analitičkog izraza za g m može se doći kada se nađe parcijalni izvod struje drejna po naponu gejta. Za n-kanalni MOS: u triodnoj oblasti na osnovu (4.9): n oxw 2 2 I 2( V V ) V V 2( V V ) V V g m 2t ox L G T u oblasti zasićenja na osnovu (4.13): I V V g m I n 2 G T n G 2 nv Raste linearno sa povećanjem V (4.19) napona na drejnu!!! G I V G 2 n ( VG VT ) T (4.20) Raste linearno sa povećanjem napona na gejtu!!!

50 Izlazni parametar g d, definisan izrazom (4.17), jeste unutrašnja provodnost i ona je jednaka recipročnoj vrednosti unutrašnje otpornosti MOS tranzistora. Prema slici, na kojoj je data samo jedna izlazna karakteristika, izlazna provodnost je: g d 1 r d I V V G const. const. (4.21) akle, ako g d, odnosno r d, nalazimo iz nagiba izlazne karakteristike, ne moramo voditi računa o tome da li je u pitanju triodna oblast ili oblast zasićenja. I V 2 2 I V 1 1 V G

51 Grafičko određivanje izlazne provodnosti

52 Unutrašnju provodnost možemo analitički odrediti kada se nađe parcijalni izvod struje drejna po naponu drejna i za n-kanalni MOS tranzistor: u triodnoj oblasti na osnovu (4.9): u oblasti zasićenja na osnovu (4.14): ) ( 2 T G n d V V V V I g A T G n d V V V V I g 2 ) ( 2 2 ) 2( ) 2( 2 T G n T G ox ox n V V V V V V V V L t W I A T G n V V V V I 1 2

53 Ekvivalentno kolo MOS tranzistora za male signale i niske učestanosti

54 EKVIVALENTNO KOLO MOS TRANZISTORA ZA MALE SIGNALE visoke učestanosti Kada se na MOS tranzistor dovede naizmenični signal male amplitude i visoke učestanosti, ne mogu se zanemariti parazitne kapacitivnosti koje postoje unutar strukture MOS tranzistora i koje utiču na sam rad tranzistora na tim frekvencijama.

55 Parazitne kapacitivnosti u n-kanalnom MOS tranzistoru

56 Parazitne kapacitivnosti u n-kanalnom MOS tranzistoru

57 Ekvivalentno kolo MOS tranzistora za male signale i visoke učestanosti

58 Primene MOS tranzistora Prekidač n-kanalni MOS Kada V GS >0, tranzistor vodi, ponaša se kao kratak spoj i tada je V out 0 Kada je V GS =0, tranzistor je zakočen i tada je V GS =V 6/5/2019 Elektronske komponente - Pasivne komponente 58

59 MOS tranzistor kao prekidač MOSFET predstavlja odličan prekidač zbog svoje male otpornosti kada je u ON stanju i ekstremno velike otpornosti kada je u OFF stanju 6/5/2019 Elektronske komponente - Pasivne komponente 59

60 Cut-OFF karakteristika Ulaz i GATE su uzemljeni V GS <V TH MOSFET je u OFF stanju I =0 V out =V S =V 1 MOSFET radi kao otvoreni prekidač 6/5/2019 Elektronske komponente - Pasivne komponente 60

61 Saturaciona karakteristika Ulaz i GATE su povezani na V V GS >V TH MOSFET je u ON stanju I =V /R L V S =0 (idealna saturacija) Minimalna otpornost kanala je R S(on) <0.1W V out =V S ~0.2V zbog R S(on) MOSFET radi kao niskoomski zatvoreni prekidač 6/5/2019 Elektronske komponente - Pasivne komponente 61

62 Primene MOS tranzistora Pojačavač n-kanalni MOS Kada je V GS =0, tranzistor je u OFF stanju Kada je napon na gejtu veći od V T počinje da teče struja drejna, koja raste sa povećanjem V GS što dovodi do povećanja napona V out. 6/5/2019 Elektronske komponente - Pasivne komponente 62

63 MOS tranzistor kao pojačavač 6/5/2019 Elektronske komponente - Pasivne komponente 63

64 Primene MOS tranzistora Čoper n-kanalni MOS Koriste se prekidačke karakteristike C napon na drejnu se konvertuje u AC iste amplitude, pri čemu se na gejt dovodi SVW (square voltage waveform) Tranzistor radi u cut-off i saturacionom režimu 6/5/2019 Elektronske komponente - Pasivne komponente 64

65 Komplementarni MOSFET kao bi-direkcioni prekidač 6/5/2019 Elektronske komponente - Pasivne komponente 65

66 CMOS invertor Osnovna ćelija digitalnih CMOS integrisanih kola je CMOS invertor Koristi se par MOS tranzistora jedan n-kanalni i jedan komplementarni p-kanalni tranzistor Korišćenje komplementarnog para MOS tranzistora omogućava projektovanje digitalnih kola sa minimalnom potrošnjom energije Karakteristika CMOS kola da imaju nisku potrošnju energije je proširila primenu digitalnih kola Prekidačka brzina, odnosno maksimalna radna frekvencija, bila je u početku nedostatak CMOS kola, ali je savremenim tehnološkim postupcima postugnuto izuzetno smanjivanje dimenzija MOS tranzistora, što je dovelo do veoma velikog porasta brzine Smanjivanje dimenzija je, tako e, omogućilo porast nivoa integracije, i realizaciju digitalnih integrisanih kola velikih operativnih mogućnosti CMOS tehnologija je postala dominantna elektronska tehnologija!!!

67 CMOS invertor

68 CMOS invertor

69 U CMOS invertoru upravljačke elektrode G1 i G2 n-kanalnog i p-kanalnog tranzistora međusobno su spojene i služe kao ulazna elektroda invertora rejn 1 n-kanalnog i drejn 2 p-kanalnog tranzistora su takođe međusobno spojeni i oni su izlazna elektroda invertora Sors S1 n-kanalnog tranzistora je uzemljen, a sors S2 p-kanalnog tranzistora je spojen na napajanje V.

70 Princip rada CMOS invertora p-kanalni i n-kanalni MOS tranzistori su komplementarni po karakteristikama i naponi praga su suprotni po predznaku i jednaki po apsolutnom iznosu Kad se na ulaz G CMOS invertora dovede napon logičke nule, što odgovara naponu V GS1 = 0, tada n- kanalni MOS ne vodi Napon između kontrolne elektrode G2 i sorsa S2 p- kanalnog MOS tranzistora je negativan i približno jednak V Napon praga tog tranzistora je negativan, p-kanalni MOS tranzistor vodi 0 V PMOS NMOS

71 Princip rada CMOS invertora Međutim, kako je n-kanalni tranzistor zatvoren, p-kanalni MOS radi s vrlo malom strujom drejna I s n-kanalnog MOS tranzistora, i nalazi se na samom početku triodnog područja Napon V S1 = V iz V, pa logičkoj nuli na ulazu odgovara logička jedinica na izlazu Taj slučaj ilustrovan je na slici radna tačka T1 odgovara izlaznom naponu V i struji drejna I = I S Menjanjem napona napajanja V može se menjati po želji napon logičke jedinice. 0 V PMOS NMOS

72 Princip rada CMOS invertora Ukoliko se na ulaz CMOS invertora dovede napon logičke jedinice, tj. napon +V, tada n-kanalni MOS tranzistor vodi Napon kontrolne elektrode G2 prema sorsu S2 je jednak nuli, pa p-kanalni tranzistor ne vodi Zato n-kanalni MOS tranzistor vodi vrlo malu struju drejna p-kanalonog MOS tranzistora, pa se nalazi na samom početku triodnog područja karakteristika +V PMOS NMOS

73 Princip rada CMOS invertora Taj slučaj je predstavljen na slici, gde je označena tačka T2 koja odgovara stanju logičke nule na izlazu. Pri vođenju n-kanalnog i pri vođenju p-kanalnog MOS tranzistora troši se veoma malo energije, s obzirom da u oba slučaja protiče izuzetno mala struja drejna jednog od tranzistora!!! +V PMOS NMOS

74