Literatura. M.N. Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych PŁ

Transkrypt

1 Literatura W. Marciniak Przyrządy półprzewodnikowe MOS, WNT 1991 A.S. Sedra, K.C. Smith Microelectronic Circuits, 4th Ed., Oxford University Press, 1998 M. Napieralska, G. Jabłoński Podstawy mikroelektroniki Łódź 2002, ISBN M. Napieralska, G. Jabłoński, Ł.Starzak Laboratorium podstaw mikroelektroniki Łódź 2007 I. Sutherland, B. Sproull, D. Harris, "Logical Effort - Designing Fast CMOS Circuits", Morgan Kaufmann Publishers 1999; K. Waczyński, E. Wróbel Technologie mikroelektroniczne, Gliwice 2001, ISBN

2 Definicja marginesów szumów Vo V OH RóŜnica między min ampl.sygnału wyj bramki sterującej a min napięciem wej bramki obciąŝanej V I NM H NM H =V OH -V IH V IH NM L NM L =V IL -V OL V IL V OL Out bramki 1 In bramki 2

3 Czasy propagacji

4 Jeśli dwa nmos przełączniki są połączone szeregowo, między C1 i C2 utworzone zostanie połączenie tylko jeśli do A i B doprowadzimy sygnał '1'. Realizacja operacji AND

5 Jeśli dwa nmos przełączniki są połączone równolegle, między C1 i C2 utworzone zostanie połączenie jeśli do któregokolwiek wejścia A lub B doprowadzimy sygnał '1'. Realizacja operacji OR

6 Jeśli dwa pmos przełączniki są połączone szeregowo, między C1 i C2 utworzone zostanie połączenie tylko jeśli do A i B doprowadzimy sygnał 0'. Realizacja operacji AND zanegowanych wartości logicznych

7 Jeśli dwa pmos przełączniki są połączone równolegle między C1 i C2 utworzone zostanie połączenie jeśli do któregokolwiek wejścia A lub B doprowadzimy sygnał 0'. Realizacja operacji OR zanegowanych wartości logicznych

8 Koncepcja bramki CMOS

9 bramka NAND - symulacja logiczna

10 bramka NOR - symulacja logiczna

11 Biorąc pod uwagę zachowanie pod wpływem pola elektrycznego dzielimy ciała stałe na: przewodniki izolatory półprzewodniki Własności elektryczne materiału zaleŝą od jego struktury atomowej i krystalicznej

12 Struktura energetyczna E F Poziom Fermiego przewodnik pasmo walencyjne półprzewodnik Eg~0.16aJ izolator Eg~1.6aJ

13 Poziom Fermiego W półprzewodniku elektrony podlegają statystyce Fermiego- Diraca. Prawdopodobieństwo, Ŝe elektron posiada energię E : Ef - poziom Fermiego odpowiada energii, która w 0K oddziela pasma obsadzone i nieobsadzone Wielkość charakterystyczna dla danego materiału

14 koncentracja nosnikow / przewodnictwo 1E+4 1E+3 1E+2 1E+1 1E+0 1E-1 1E-2 1E-3 1E-4 1E-5 1E-6 1E-7 1E-8 1E-9 1E-10 1E-11 1E-12 1E-13 1E-14 1E-15 1E-16 1E-17 1E-18 1/300 K Efekt temperaturowy /T (1/K) przewodnictwo samoistne silnie rośnie z temperaturą w zakresie od 100 (1/T=0.01) do 500K ( 1/T=0.002) zmienia się o kilkanaście rzędów wielkości

15 Półprzewodniki domieszkowane

16 Półprzewodniki domieszkowane Konsekwencje domieszkowania: krzem w temp. pokojowej n i =1.5*10 10 /cm3 czyli w 300K mamy kt = 0.25eV >>0.048eV (energia wiązania w sieci krystalicznej krzemu 0.048eV) czyli wszystkie atomy domieszki utracą elektron nadmiarowy jeśli N d będzie 10 5 razy większa niŝ n i konduktywność materiału wzrośnie odpowiada to 1 atomowi donorowemu na 1 miliard atomów krzemu ρ = q(p-n+n D -N A ) gęstość ładunku przestrzennego w półprzewodniku niesamoistnym

17 Struktura energetyczna półprzewodnika Pasmo przewodnictwa Stany donorowe Eg Stany akceptorowe Pasmo walencyjne Poziom Fermiego w półprzewodniku typu n leŝy w pobliŝu pasma przewodnictwa, a w półprzewodniku typu p w pobliŝu pasma walencyjnego. JeŜeli połączymy ze sobą róŝne półprzewodniki energie Fermiego powinny się wyrównać.

18 Dlaczego tranzystor MOS? Realizacja funkcji cyfrowych i analogowych Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET) jest kluczowym elementem technologii Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) element pamięci: Dynamic Random Access Memory (DRAM) i Flash Erasable Programmable Memory (EPROM) Przetwarzanie obrazów: Charge-Couple Device (CCD) wyświetlacze: Active-Matrix Liquid-Crystal Displays

19 Tranzystor MOS transfer resistor 1930 J. Lilienfend złoŝył patent dotyczący działania przyrządu polowego w USA (słabo przewodzący materiał umieszczony w polu elektrycznym będzie zmieniał swoje przewodnictwo pozwalając na uzyskanie efektu wzmocnienia) 1960 praktyczne wykonanie tranzystora polowego

20 Tranzystor MOS ang. Metal Oxide Semiconductor Tranzystory polowe: MOSFET, MIS, IGFET Bramka polikrzemowa Warstwa dielektryka Elektroda metalowa Wyspy drenu i źródła PodłoŜe półprzewodnikowe ρ podłoŝa Ωm koncentracja n m -3 t ox od kilku nm

21 Struktura MIS idealna Praca wyjścia metal-półprzewodnik = 0 Izolator idealny (konduktywność=0) Półprzewodnik jednorodnie domieszkowany Brak stanów powierzchniowych na granicy izolator-półprzewodnik Brak spadku napięcia w objętości półprzew. Struktura jednowymiarowa V G Metal Izolator Półprzewodnik

22 Kondensator MOS V G Al Oxide Silicium P Akumulacja ZuboŜenie Inwersja V G <0 V G >0 V G >>0

23 Przekrój tranzystora nmos Bramka Źródło Dren Metal Polikrzem Dwutlenek krzemu Dyfuzja typu n PodłoŜe typu p

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

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

26 Początek silnej inwersji V G =V T E c q φ s = 2 q φ f qφ f E j E F E f

27 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 PodłoŜe typu p Kanał

28 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 PodłoŜe typu p Kanał

29 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 PodłoŜe typu p Kanał

30 Tranzystor nmos jako przełącznik + 5V + 5V

31 Tranzystor pmos jako przełącznik + 5V + 5V

32 ZałoŜenia upraszczające do opisu ch-k MOS Rozwiązanie r-nia Poissona w 1 wymiarze układ jest jednowymiarowy Ruchliwość nośników w kanale jest stała Jednorodne domieszkowanie podłoŝa Pomijalna rezystancja szeregowa Prądy nasycenia złączy D-B, S-B są pomijalne Potencjał powierzchniowy niezaleŝny od U GS Ładunek obszaru zuboŝonego niezaleŝny od połoŝenia w kanale

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

34 I DS W = µ L eff eff C ox U DS 0 ( U V V ( x) ) GS T 0 dv I DS W = µ L eff eff C ox 2 ( U V ) U 1 U ) GS T 0 DS 2 DS I DS = k p W L eff eff ( ) 1 ) 2 U V U U GS T 0 DS 2 DS Nienasycenie I DS = k p 2 W L eff eff ( U V ) 2 GS T 0 Nasycenie

35 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

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

37 Modulacja długości kanału V G >V T0 V S >V DSsat L' eff L L eff

38 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

39 SPICE DC Parameters for 1µm MOS Parameter nmos pmos Units Description VTO volt Threshold voltage KP 8* *10-5 A/V 2 Transconductance coefficient GAMMA V 0.5 Bulk threshold parameter PHI volt Surface potential at strong inversion LAMBDA volt -1 Channel length modulation parameter LD 0.1* *10-6 meter Lateral diffusion TOX 2*10-8 2*10-8 meter Oxide thickness NSUB 2* * /cm 3 Substrate doping density

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

41 Zakres podprogowy (subthreshold region) praca tranzystora w stanie słabej inwersji, definiowanym przez zakres potencjału powierzchniowego φ f φ S 2φ f (U FB U GS U T )

42 Zakres podprogowy V on - próg wyłączania (OFF threshold) V T - próg załączania (ON threshold) Przedział V on V GS V T nazywany jest zakresem podprogowym ln(i DS ) U GS V T V on

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

44 Tranzystor o wymiarach submikronowych Efekty krótkiego i wąskiego kanału Pole elektryczne w kanale staje się bardzo wysokie Nasycenie ν nośników Jonizacja zderzeniowa przy drenie PasoŜytnicze efekty bipolarne

45 Tranzystor o wymiarach submikronowych Zmniejsza się odległość S-D Punch-through Modulacja długości kanału Obszary ładunku przestrzennego wzrost prądu podprogowego dla W/L=const i zmniejszenie napięcia progowego

46 Pojemności tranzystora MOS BRAMKA C GSov C GS C GD C GDov ŹRÓDŁO DREN C BS C GB C BD Pojemności skupione: obszarów zubożonych C BD C BS związane z bramką

47 Pojemności tranzystora MOS Zakres liniowy (pojemność C GB = 0) C C dla GS ( U ) GS UT ( U + ) GS UT UGD UT = CoxWeff Leff 2 2 C 3 W L 1 2 ( U ) GD UT ( U + ) GS UT U GD UT GD = ox eff eff 2 UGS U GD GS C GD Zakres nasycenia (pojemność C GD = 0) C GS = 2 3 C ox W eff L C eff 1 2 C ox W eff L eff

48 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 zuboŝonych drenu i źródła. Nierównomiernego domieszkowania podłoŝa, wynikającego m.in. z powierzchniowej implantacji jonów w celu regulacji napięcia progowego.

49 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 zuboŝany typu n I DS U GS I DS U DS I DS U GS I DS Kanał zuboŝany typu p U DS