Đang tải... (xem toàn văn)
Transistor hiệu ứng trường MOSFET
Transistor hiệu ứng trường MOSFET Nguyễn Quốc Cường Bộ môn 3I-HUT Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường , Giới thiệu « « MOSFET: Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor MOSFET sử dụng nhiều công nghệ chế tạo IC - Kích thước nhỏ -_ Cơng suất tổn hao thấp -_ Giá thành thấp „ Chế tạo IC tương tự số có độ tích hợp cao « MOSFET + có kiểu -_ Enhancement MOSFET (được sử dụng nhiều) - Depletion MOSFET - Chung ta sé xem xét Enhancement MOSFET M6t tén khac cua MOSFET la IGFET (Insulated-gate FET) Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường Cấu trúc Oxide (SiO;) Soure region Source (S) Gate (G) Oxide (SiO2) (thickness = 1,,) Channel region ——+:— p-type substrate p-type substrate (Body) (Body) Channel region Drain region (a) Body (B) (b) N-channel enhancement-type MOSFET (goi tat n- MOSFET) Thường L = 0.1 dén 3um, W=0.2 dén 100 pum, tox = đến 50nm Transistor hiéu tng trường Nguyễn Quốc Cường Drain (D) « MOSFET co cuc - Cuc G (Gate) - Cuc D (Drain) - Cuc S (Source) „ _ Do lớp oxide chắn cực G nên dịng cực gate nhỏ (cỡ 10-15A) « „ MOSFET thiết bị đối xứng,có nghĩa cực D S thay đổi vai trị mà khơng làm thay đổi đặc tính MOSFET Khi khơng có điện phân cực cho G, D S coi diode mắc ngược > có điện áp S D khơng tạo dịng điện > điện trở lớn (cỡ 10120) Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường › Hình thành kênh dẫn n-MOS + Gate electrode Induced n-type channel Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường « Cực Body, D S nối đất « _ Cực G cung cấp điện áp dương: « « -_ -_ Các lỗ trống gần cực G bị đẩy xa Các e bán dẫn n+ từ S D bị kéo vào cực G -_ số e tập trung -_ nhiều điện tử tâp trung vùng cực G Nếu vẹs nhỏ: -_ chưa hình thành kênh dẫn Khi vạs tăng: -_ hình thành kênh dẫn n (n-MOSFET) -_ điện áp tạo hình thành kênh dẫn gọi điện áp ngưỡng V, (thường từ 0.5V đến 1.0V) - Độ sâu kênh dẫn tỉ lệ với điện áp điện cực G điện kênh dẫn Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường v Vung triode - vp, nho Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường ý « _ Thiết lập điện áp vọs nhỏ (cỡ 50mV): -_ + Các điện tử dịch chuyển từ S đến D -> tạo dòng i„ (chiều từ D đến S) Dong ip -_ phụ thuộc vào nồng độ điện tử tập trung kênh dẫn, đại lượng lại phụ thuộc vào vẹs -_ phụ thuộc vào vps „_ Thực tế vụs nhỏ, dòng i; tỉ lệ tuyến tính với (ves - Vị) vụs > coi điện trở (Rps) điều khiển điện áp vọs Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường ip (MA) 04 tgs = V, + 2V 03 ves = V, + 15V 02 ves =V,+1V 01 vos = V, + 0.5V ves < V; Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường L 50 L 100 L 150 /, 200 vps (mV) Hoạt động MOSFET vạs lớn «_ Giữ Vẹs = const ( > V,) va tang Ves + Dọc theo kênh dẫn từ S đến D,: + điện áp thay đổi từ đến vụs » điện áp so với cực G tăng từ Veg dén (Veg — Vps) > độ sâu kênh n-channel p-type substrate Transistor hiéu tng trường Nguyễn Quốc Cường dẫn có hình thang : nở rộng S thu nhỏ D v Dọc theo kênh dẫn từ S đến D,: -_ điện áp thay đổi từ đến vDS - điện áp so với cực G tăng từ vẹs đến (vGS - vDS) độ sâu kênh dẫn có hình thang : nở rộng S thu nhỏ D Nếu tiếp tục tăng vụs « dong dién i, tang * Vep Sẽ giảm kênh dẫn tiếp tục bị bóp nhỏ lại gần cực D > điện trở tăng lên theo Vps tăng đến giá trị mà tai D điện giảm đến vạp = Vị, > độ sau kênh dẫn D > điểm pinched-off Tai pinched-off: dòng điện không tăng vụs tiếp tục tăng Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường v ip-Vps e-NMOS vẹs > V, I- ts < ves — Vi Curve bends because the channel resistance ups = ves — Vi Sy increases with wps5 Current saturates because the channel is pinched off at the drain end, and vps no longer affects the channel Almost a straight line with slope proportional to (vgs — V,) tes > V, Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường Đpssu = Yas — Vr Ups Chế độ làm việc MOSFET _ Kênh dẫn hình thành vạs > Vị, - Khi vps < (Ves-V,) > dòng điện ip tỉ lệ thuận với vps vạs > vùng điện trở điều khiển (hay vùng triode) - Khi vs > (vas-V,) dịng điện khơng tăng vp„ tăng - vùng bão hòa ( Ups = — vas — V, esos Ups Source Channel Drain L Độ sâu kênh dẫn Veg = const, va Vpg tang Transistor hiéu ting trường Nguyễn Quốc Cường Ups = , Dịng điện ip «_ « Khi vs < Vị dịng ïp > (vùng cut-off) Khi vẹs > V,,, dòng điện i; tính theo cơng thức i, =k, TS 1,.W in = 5Kn (Ves —V,)Vps — ; v3 Me) ( vung triode ) ung (vùng bão hòa ) k„: tham số hỗ dẫn trình (phụ thuộc vào công nghệ sản xuất MOSFET) (đơn vị : A/V2) W: chiều rộng kênh dẫn L: chiều dài kênh dẫn WIL : tis6é hinh dang cla MOSFET (aspect ratio) (Với công nghệ năm 2003, L,,,, = 0.13m, W„„, = 0.16m, bề dày lớp oxide Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường MOSFET kênh P (PMOS) „ Chế tạo đế bán dẫn kiểu n, cực D S vùng «_ Thiết bị hoạt động giống NMOS, p+ „_ Vps có giá trị âm Điện áp ngưỡng V, có gía trị âm „ Dòng điện vào từ S D Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường ngoại trừ vạs , CMOS « _ Được sử dụng nhiều công nghệ chế tạo IC (cả tương tự số) Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường , Ký hiệu NMOS =—] | (a) c ._ Lo _ TL (b) op (c) | Ký hiệu NMOS Một kiểu ký hiệu khác cla NMOS Ký hiệu rút gọn trường hợp cực B (body) nối với S trường hợp hiệu ứng Body nhỏ bỏ qua Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường , Ký hiệu PMOS cop on = (a) oe ft n on § ọ on (b) a Ký hiệu PMOS b Một cách ký hiệu khác PMOS c Trong trường Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường oof hợp B nối với S , Đường cong đặc tính ip - Vps ip (mA) ig =0 in} + oa Gs “SE” == piss io ups es (a) Ups (V) ugs = V, (cutoff) Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường mơ hình tín hiệu lớn NMOS vùng bão hòa ig =0 — ip