Upload
others
View
15
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Elektronika a Mikroelektronika A4B34EM
5. přednáška
• Unipolární tranzistory
• JFET
• MESFET
• MOSFET
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
Tranzistory – základní rozdělení
Unipolární tranzistory
MESFET JFET MOSFET
Za
bu
do
va
ný
kanál
In
du
ko
va
ný
kanál
Ob
oh
aco
va
ný
kanál
Och
uzo
va
ný
kanál
kanál N
kanál P
NM
OS
PM
OS
NM
OS
PM
OS N P N P
kanál P
N P N P
MOSFET - metal oxide field effect transistor semiconductor MESFET – Metal semiconductor field effect transistor JFET – junction field effect transistor
Unipolární tranzistory Obecné vlastnosti
Napětí na řídící elektrodě (gate) ovládá proud mezi elektrodami drain (D) a source (S)
U všech typů je mezi elektrodami D-S tenký vodivý kanál typu n nebo p, jehož vodivost se ovládá elektrickým napětím přiloženým na řídící elektrodu G
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
FET ( Field Effect Transistor)
1. Funkce závisí pouze na jednom typu nosičů (elektrony nebo díry)
2. Součástka řízená napětím (napětí na řídícím hradle ovládá proud mezi D-S)
3. Velmi vysoká vstupní impedance ( 109-1014 )
4. Source a Drain je zaměnitelný
5. Možnost funkce v tzv. Low Voltage Low Current módu 6. Menší šum ve srovnání s BJT 7. Žádná akumulace minoritních nosičů (Rychlé vypínání) 8. Velice malé rozměry, výhodné v integrovaných obvodech
Výhody unipolárních tranzistorů:
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
Tranzistor JFET
U tranzistorů JFET je řídící elektroda z polovodiče opačné vodivosti než kanál
Od kanálu není elektricky oddělena a tvoří P-N přechod.
Tento přechod je polarizován závěrně.
Napětím na hradle se moduluje OPN (oblast prostorového náboje), čímž se řídí tloušťka kanálu a tudíž i jeho vodivost
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
P P +
-
+
-
+
-
N
N
Základní princip modulace kanálu JFETu
Gate
Drain
Source
OPN
Reálná struktura JFETu
Průřez tranzistory JFET
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
Princip činnosti
Při malém napětí UDS
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
OPN
Princip činnosti
Při nulovém napětí na hradle
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
OPN
Výstupní charakteristiky JFETus kanálem N.
Odporová oblast (režim):
Proud drainem je dán:
2
2 2
2
DSDSPGS
P
DSSDS
UUUU
U
II
2
1
P
GSDSSDS
U
UII
Kde IDSS proud drainem při UG = 0, VP prahové napětí
Výstupní charakteristiky a režimy JFET
Oblast saturace:
PGSDS UUU
PGSDS UUU
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
Převodní charakteristika
JFET s kanálem N pro UDS = 10V
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
Mezní parametry JFETu
Průrazné napětí UDS
maximální ztrátový výkon PDmax
Maximální proud IG
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
Základní zapojení JFET
Zdroj proudu
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
Zdroj proudu IDSS
Zdroj proudu ID<IDSS
Základní zapojení JFET
Nastavení pracovního bodu ve třídě A
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
JFET jako zesilovač malého signálu
Zesilovač se společným sourcem:
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
Náhradní lineární obvod
Náhradní lineární obvod zesilovače
Tranzistor MESFET
PN přechod G-S tvoří Schottkyho dioda
Typicky se vyrábějí na GaAs
Využití v vf zesilovačích, přepínačích, atd.
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
Tranzistor MOSFET
Tranzistor řízený elektrickým polem
Struktura Kov (Metal M) – oxid (Oxide O) – polovodič (Semiconductor S)
Kov je dnes většinou nahrazen PolySi, oxid tvoří SiO2
Velký vstupní odpor řídící elektrody, až 1014
Tranzistor může být velmi malý ~ 32 nm
Obrovská hustota integrace ~ 1 000 000 000 na čip
Malý odběr ve statickém režimu
Existuje-li vodivý kanál při UGS = 0, jedná se o MOSFET se zbudovaným kanálem
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
Struktura tranzistoru NMOS
N+ N+
S D
L
G
Oxid SiO2
PolySi Gate
Difúzní oblast
drainu
Difúzní oblast source
Substrát P
Kanál N
Indukovaný Zabudovaný
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
Struktura tranzistoru PMOS
P+ P+
S D
L
G
Oxid SiO2
PolySi Gate
Difúzní oblast drainu
Difúzní oblast source
Substrát N
Kanál P
Indukovaný Zabudovaný
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
MOS před spojením jednotlivých částí
oxid
dox
P NA
Evac
eUB
Ec
EFs Ev
es
es
Ei
KOV
EFm
em
Pásová struktura:
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
MOS struktura bez napětí
dox
Kov oxid p NA
+ + +
- - -
xd
QG QD
eUs Evac
eUB
Ec
EFs Ev
es
es
Ei EFm
em
eUbi eUox
Ubi=s- m
pp
np
pp0
npo
ppnp=ni2
x
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
Vznik inverzní vrstvy – vodivého kanálu
N+ N+
S D
VG
Substrát N
h h h h h h
h
OPN
Díry
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
MOS struktura + malé napětí na gate UGS < UT
eUB
e(Ubi+UG)
Kov oxid p
dox
+ + +
- - -
xd
QG
QD
+ +
- - +VG
Evac
Ec
EFs Ev
es
es
Ei
EFm
em
eUox
eUs
Ubi=s- m
eUG
USUB
Ochuzená oblast
pp
np
pp0
npo
x
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
MOS struktura - malé napětí na gate UGS < UT + vznik inverzní vrstvy
pp
np
pp0
npo
UB<Us<2UB
Inverzní vrstva
kov oxid p
dox
+ + +
- - -
xd
QG
QD
+ +
- - +VG
- +
Evac
eUB
Ec
EFs
Ev
es
es
Ei
EFm
em
e(Ubi+UG) eVox
eUs
Ubi=s- m
eUG
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
MOS struktura – inverzí vodivost napětí a náboje
kov oxid p
dox
+ + +
- - -
xd QG QD
+ +
- -
+UG UB<Us<2UB
- +
x
V
x
-E
x
Q QG
QD
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
MOS struktura – hluboká inverze
Us>2UB
Evac
eUB
Ec
EFs
Ev
es
es
Ei
EFm
em
e(Ubi+UG)
eUox
eUs
eUG
dox xd
QD
QG
kov oxid p +
+ +
- - - + +
- - +UG
- + +
+
pp
np
pp0
npo
Qi -
-
Volný náboj
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
MOS struktura – hluboká inverze napětí a náboje
x
U
x
-E
x
Q
QG
QD
Qi
- - kov oxid p
dox
+ + +
-
xd QG QD
+ +
- - +UG
- + - -
Qi
+
+
vodivý kanál
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
N+ N+
S D
e e e e e e
UG
Vznik inversní vrstvy – vodivého kanálu
e
OPN
elektrony
vodivý kanál
UGS > UT
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
S nenulovým napětím UDS
N+ N+
S D
e e e e e e
L
UDS
G
UGS
UGS > UT
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
e
L
Lef
N+ N+
S G
D Poly Si Oxid
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
Kolektorový proud (Drain Current):
Lineární oblast ID
UDS
UGS1
UGS2
UGS3
UG
S1 - U
t
UG
S2 - U
t
UG
S3 - U
t
N+ N+
S D
e e e e e e
0 x L
UDS G
UGS
2
2
DSDStGSoxnD
UUUU
L
WCI
Lineární oblast: (UGS > Ut, UDS < UGS - Ut) (Triode region)
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
Kolektorový proud (Drain Current):
Saturační oblast ID
UDS
UGS1
UGS2
UGS3
UG
S1 - U
t
UG
S2 - U
t
UG
S3 - U
t
N+ N+
S D
e e e e e
0 x L
VDS
G
VGS
Saturační oblast: (UGS>Ut, UDS >UGS - Ut) (Active region)
p
n n+ drain
2tGSoxnD UUL
WCI
Zaškrcení kanálu
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
Kolektorový proud (Drain Current):
Proud Id s modulací délky kanálu - Drain current (with channel
length modulation):
Transkonduktance (Transconductance):
2tGSoxnD UUL
WCI
DStGSoxnD UUUL
WCI
1
2
tGS
DDoxntGSoxnm
UU
II
L
WCUU
L
WCg
22
Saturační oblast: (UGS>Ut, UDS >UGS - Ut)
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
Parametr modulace délky kanálu (Channel length modulation
parameter):
Výstupní odpor (Output resistivity):
Substrátová transkonduktance (Body (bulk) transconductance):
LLL DSVL
L
D
OI
r
1
fSB
ms
V
gg
22
m
s
g
g(typicky 0.10.3)
Saturační oblast: (UGS>Ut, UDS >UGS - Ut)
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
Mezní frekvence (Transition frequency):
Model pro malé signály v aktivní oblasti (Small-signal model in
active region)
)(2 GSGDGS
mT
CCC
gf
Saturační oblast: (UGS>Ut, UDS >UGS - Ut)
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
N+ N+
P- substrát
Inverzní
vrstva Ochuzená
vrstva
CDB
CG CGD CGS
CSB
CS
dx
CSB
G
S
D
CGD CDB
CGS CGB
CG - kapacita oxidu mezi hradlem a kanálem
oxG WLCC
CS – kapacita vyprázdněné vrtvy mezi kanálem a substrátem
)4/(0 fArS NqWLC
CGS,GD – kapacita přesahu hradla do oblasti kolektoru a emitoru CDB,SB – kapacita prechodu mezi oblastí kolektoru (emitoru) a substrátem. Většinou se rozděluje na kapacitu spodni strany Cj a boční kapacitu Cjsw (velikost se udává na jednotku plochy, délky).
mBR
j
jV
CC
/1
0 jswxjxSBDB CdWCWdCC )(2
Kapacity MOS tranzistoru (MOS Device Capacitances)
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
MOS vypnutý
WCCC ovGSGD
2
2
CWLC
CWLCC
ox
ox
GB
MOS v lineární oblasti a VDS << 2 (VGS – Vt0)
ovoxGSGD WCWLCCC 2/
MOS v saturaci
ovoxeffGS WCCWLC 3
2
q = 1.602e-19 C k = 1.38e-23 JK-1
ni = 1.1e16 nosičů/m3 at
T=300° K
0 = 8.854e-12 F/m
Oxid r = 3.9 Křemík r = 11.8
Důležité konstanty
Kapacity tranzistoru MOS (MOS Device Capacitances)
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
C-V charakteristika MOSFETu
Cox
V UT UFB 0
C=dQG/dU Cox
Nízké f
vysoké f
meta
l + - + -
+ -
akumulace náboje
Cox
meta
l +
- +
ochuzená vrstva
Cox
-
xd
CD
meta
l + - +
- + -
hluboká inverze
Cox
-
+
xd
CD
Jiří Jakovenko – Struktury Integrovaných Systémů - A2M34SIS
Struktura CMOS
N+ Source N+ Drain P+ Source P+ Drain
BPSG W Kontakt
Metal1
IMD1 W Via
Metal2
Pasivace Kontaktní Pad
Poly Gate Silicid Spacer
Epitaxní vrstva P-
Křemíkový Substrát P+
P- Jáma N
- Jáma
Complementrary MOS
Indukovaný a zabudovaný kanál NMOS
s
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
Indukovaný a zabudovaný kanál PMOS
s
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL
Mezní parametry MOSFETu
Průrazné napětí UDS
maximální ztrátový výkon PDmax
Maximální proud ID
Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL