Wprowadzenie do techniki Cyfrowej i Mikroelektroniki

Transkrypt

1 Wprowadzenie do techniki Cyfrowej i Mikroelektroniki Małgorzata Napieralska Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych tel mnapier@dmcs.p.lodz.pl

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

3 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

4 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

5 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

6 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

7 Koncepcja bramki CMOS

8 bramka NAND - symulacja logiczna

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

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

11 M O S S E C E C E C f E Fi E F E F E F E C E V E V E V E F E V Q G Q S x x Q S x Q S x Q G Akumulacja <0 Poziom pasm płaskich Zubożenie =0 >0 >>0

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

13 Tranzystor nmos ze spolaryzowaną bramką >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 T E c q φ s = 2 q φ f qφ f E j E F E f

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

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

18 Założenia upraszczające do opisu ch-k MOS Rozwiązanie r-nia Poissona w 1 wymiarze układ jest jednowymiarowy Ruchliwość nośników w kanale jest stała Jednorodne domieszkowanie podłoża Pomijalna rezystancja szeregowa Prądy nasycenia złączy D-B, S-B są pomijalne Potencjał powierzchniowy niezależny od U GS Ładunek obszaru zubożonego niezależny od położenia w kanale

19 I DS = W µ L eff eff C ox U DS 0 ( U V V ( x) ) GS T 0 dv I DS = µ W 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

20 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

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

22 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

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

24 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

25 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