Materiały używane w elektronice

Transkrypt

1 Materiały używane w elektronice Typ Rezystywność [Wm] Izolatory (dielektryki) Over 10 5 półprzewodniki przewodniki poniżej 10-5 nadprzewodniki (poniżej 20K) poniżej 10-15

2 Model pasm energetycznych pasmo przewodzenia pasmo przewodzenia pasmo przewodzenia pasmo przewodzenia Wg 2eV Wg > 2eV przewodnik nadprzewodnik izolator nieb pasmo walencyjne, Wg pasmo zabronione

3 model atomu krzemu

4 Wiązania kowalencyjne między atomami półprzewodnika w niskiej temperaturze (a) i w temperaturze pokojowej (b)

5 Generacja pary dziura/elektron: model pasmowy (a) i kowalencyjny (b) (E V pasmo walencyjne, E C pasmo przewodzenia)

6 Dodatek atomu donoru z 5 elektronami (tu: fosfor) generuje dodatkowy swobodny elektron

7 Dla skompletowania wiązań kowalencyjnych atom boru (akceptor) wiąże elektron, co powoduje powstanie dziury.

8 Tranzystor MOS transfer resistor 1930 J. Lilienfend złożył patent dotyczący działania przyrządu polowego w USA 1935 O. Heil - podobny patent w Wielkiej Brytanii 1960 praktyczne wykonanie tranzystora polowego

9 Tranzystor MOS ang. Metal Oxide Semiconductor Tranzystory polowe: MOSFET, MIS, IGFET Bramka polikrzemowa Warstwa dielektryka Elektroda metalowa Wyspy drenu i źródła Podłoże półprzewodnikowe podłoża Wm koncentracja n m - 3 t ox nm

10 Kondensator MOS V G Al Oxide Silicium P Akumulacja Zubożenie Inwersja V G <0 V G >0 V G >> 0

11 Przekrój tranzystora nmos Bramka Źródło Dren Metal Polikrzem Dwutlenek krzemu Dyfuzja typu n Podłoże typu p

12 Podział tranzystorów MOS Z kanałem typu n Z kanałem typu p Z kanałem zubożanym (wbudowanym) ang. depletion Z kanałem wzbogacanym (indukowanym) ang. enhancement

13 Tranzystor nmos ze spolaryzowaną bramką V G >0 Bramka V S =0 Źródło Dren V D =0 Metal Polikrzem Dwutlenek krzemu Dyfuzja typu n Podłoże typu p Kanał

14 Początek silnej inwersji V G =V T E c q s =2q f q f E j E F E f

15 Przewodzący tranzystor nmos V S =0 Źródło V G >0 Bramka Dren V G -V T >V D >0 Metal Polikrzem Dwutlenek krzemu Dyfuzja typu n Podłoże typu p Kanał

16 Przewodzący tranzystor nmos V S =0 Źródło na granicy nasycenia V G >0 Bramka Dren V G -V T =V D >0 Metal Polikrzem Dwutlenek krzemu Dyfuzja typu n Podłoże typu p Kanał

17 Nasycony tranzystor nmos V S =0 Źródło V G >0 Bramka Dren V D >V G -V T Metal Polikrzem Dwutlenek krzemu A Dyfuzja typu n Podłoże typu p Kanał

18 Symbole tranzystorów MOS Kanał wzbogacany typu n G D B S D B S G D S Kanał wzbogacany typu p Kanał zubożany typu n Kanał zubożany typu p

19 Tranzystor nmos jako przełącznik + 5V + 5V

20 Tranzystor pmos jako przełącznik + 5V + 5V

21 Tranzystor MOS w zakresie liniowym L=L +2L d I DS L x x+dx L -L d 0 L +L d x

22 I DS W L C ox U DS 0 U GS V T 0 V x dv I DS W L C ox U GS V U 1 T 0 DS 2 U 2 DS I DS k p W L U GS V U 1 T 0 DS 2 U 2 DS Nienasycenie I DS k p 2 W L 2 U GS V T 0 Nasycenie b = e/t ox (W/L) Transistor gain factor

23 Przykład Dany jest tranzystor o następujących parametrach N a cm 3 t ox 10nm U FB 1. 04V Obliczyć napięcie progowe tego tranzystora

24 Charakterystyki wyjściowe MOS I D U GS =5 nienasycenie U DS =U GS -V T U GS =4 nasycenie U GS =3 U GS =2 U GS =1 U DS

25 Charakterystyki przejściowe MOS I D nasycenie nienasycenie U GS V T

26 Modulacja długości kanału V G >V T0 V S >V DSsat L' L L

27 Model LEVEL1 I D U DS =U GS -V T U GS =5 nienasycenie U GS =4 nasycenie U GS =3 U GS =2 U GS =1 U DS

28 Co nowego w modelu LEVEL3 Zmodyfikowany model napięcia progowego, z uwzględnieniem obniżania bariery podłoże-kanał pod wpływem wzrostu potencjału drenu (ang. DIBL - Drain Induced Barrier Lowering). Model ruchliwości nośników zależnej od pola wzdłużnego i poprzecznego. Ulepszony model modulacji długości kanału i napięcia nasycenia. Uwzględnienie podprogowego zakresu pracy tranzystora (słaba inwersja).

29 Aproksymacja ładunku przy pomocy trapezu x j X D W c

30 Zakres podprogowy ln(i DS ) U GS V T V on

31 Wpływ temperatury na charakterystyki MOS I DS 20 O C 120 O C A U GS

32 Pojemności tranzystora MOS BRAMKA C GSov C GS C GD C GDov ŹRÓDŁO DREN C BS C GB C BD

33 Pojemności tranzystora MOS P S1 Bra mka polikrze mowa Warstwa dielektryka P S2 Źródło Dren A D P S3

34 Pojemności tranzystora MOS C BD C j A U 1 j D BD C C GDov M GDO C jswpd U BD 1 j j M jsw W C BS C j A U BS 1 j C C GSov S M GSO C jswps U BS 1 j j M jsw W C GSO C GDO C ox L d Akumulacja Zubożenie C C GB ox W L C GB C ox W U 1 4 GB L U 2 FB

35 Pojemności tranzystora MOS Zakres liniowy (pojemność C GB = 0) C C dla GS UGS UT CoxW L 2 3 U GS UT UGD UT UGD UT GD CoxW L 2 3 U GS UT UGD UT UGS U GD GS C GD Zakres nasycenia (pojemność C GD = 0) C GS 2 3 C ox W L C 1 2 C ox W L

36 Czego nie uwzględnia model LEVEL3 Efektu "gorących" nośników, czyli nośników nie będących w równowadze termodynamicznej z siatką krystaliczną. Zjawiska przekłucia (punch-through), czyli przebicia wynikającego z zetknięcia rozszerzających się obszarów zubożonych drenu i źródła. Nierównomiernego domieszkowania podłoża, wynikającego m.in. z powierzchniowej implantacji jonów w celu regulacji napięcia progowego.

37 Charakterystyki napięciowe. pojemności C i =C ox L W 1 C/C i C G C GS C GD 0 odcięcie nasycenie nienasycenie C GB U GS

38 Tranzystor MOS - podsumowanie Zakres pracy Zakres odcięcia, nieprzewodzenia Zakres liniowy, nienasycenia, triodowy Zakres nasycenia, pentodowy Zakres podprogowy, słabej inwersji Napięcia na końcówkach U GS <U FB U GS V T i U DS <U Dsat U GS V T i U DS U Dsat U FB U GS <V T Kanał wzbogacany typu n I DS U GS I DS U DS I DS U GS I DS Kanał wzbogacany typu p U DS Kanał zubożany typu n I DS U GS I DS U DS I DS U GS I DS Kanał zubożany typu p U DS