ELEMENTY ELEKTRONICZNE

Transkrypt

1 AKAEMA ÓRNCZO-HNCZA M. ANŁAWA AZCA W KRAKOWE Wydział nformatyki, Elektroniki i elekomunikacji Katedra Elektroniki ELEMENY ELEKRONCZNE dr inż. Piotr ziurdzia paw. C-3, pokój 43; tel , piotr.dziurdzia@agh.edu.pl dr inż. reneusz rzozowski paw. C-3, pokój 5; tel , ireneusz.brzozowski@agh.edu.pl RANZYOR POLOWY Z ZOLOWANĄ RAMKĄ MOFE (metal-ide-semiconductor field effect transistor)

2 przypomnienie Kondensator płaski C 0 r d d E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne fizyka półprzewodników: M-- 3 Kondensator płaski Czy po zastąpieniu jednej z okładek metalowych półprzewodnikiem jego właściwości zmienią się? Jak? Czy wzór na pojemność będzie nadal obowiązywał? przypomnienie C 0 r d r d półprzewodnik E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne fizyka półprzewodników: M-- 4

3 struktura MEAL-ZOLAOR-PÓŁPRZEWONK (M) bramka np. aluminium ale też polikrzem n albo p metal dielektryk półprzewodnik metal (kontakt omowy) Najczęściej tlenek krzemu io MO metal ide semiconductor podłoże E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne fizyka półprzewodników: M-- 5 struktura MEAL-ZOLAOR-PÓŁPRZEWONK (M) Jak pracuje? zachowanie w przypadku różnych napięć model energetyczny Jakie są ładunki i pojemność takiej struktury? rozkład ładunków elektrycznych pojemność jako funkcja napięcia Napięcie progowe w kondensatorze? E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne fizyka półprzewodników: M-- 6 3

4 RKRA MO POLARYZACJA = 0 < 0 metal io krzem typu p pole elektryczne warstwa akumulacyjna stan neutralny (równowaga) akumulacja - dziura nośnik większościowy - jon domieszki akceptorowej E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne fizyka półprzewodników: M-- 7 RKRA MO POLARYZACJA > 0 >> 0 pole elektryczne warstwa zubożona warstwa inwersyjna warstwa zubożona obszar neutralny zubożenie inwersja - dziura nośnik większościowy - elektron nośnik mniejszościowy - jon domieszki akceptorowej E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne fizyka półprzewodników: M-- 8 4

5 RKRA MO MOEL ENEREYCZNY wycinek poprzeczny przez strukturę MO M O metal io (typu P) wycinek krzem typu p Elementy elektroniczne fizyka półprzewodników: M-- E+Ei 08 r. P& 9 RKRA MO MOEL ENEREYCZNY M O Praca wyjścia W energia potrzebna na przeniesienie elektronu z poziomu Fermiego do nieskończoności (W - WF), (elektron swobodny w próżni) q M, q (typu P) energia elektronu w próżni q i q q M q EC Ei EF EV EF izolator metal półprzewodnik typu p truktura wyidealizowana Powinowactwo elektronowe - określa pracę wyjścia z poziomu minimalnej energii w paśmie przewodnictwa EC q i, q M potencjał wyjścia z metalu potencjał wyjścia z półprzewodnika powinowactwo elektronowe izolatora i powinowactwo elektr. półprzewodnika proszczenie: - równe prace wyjścia z metalu i półprzewodnika ( M, ) jednakowe poziomy Fermiego - pominięte stany powierzchniowe na granicy dielektryk-półprzewodnik (ład. powierzchniowy) - izolator jednorodny - pominięto ładunek w izolatorze E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne fizyka półprzewodników: M-- 0 5

6 q E F RKRA MO: MOEL ENEREYCZNY M O (typu P) metal izolator < 0 POLARYZACJA JEMNA q( - i ) E C E i E F E V półprzewodnik typu p Poziomy Fermiego w metalu i półprzewodniku różnią się o wartość energii pola elektrycznego q Energia wyjścia z dna pasma przewodnictwa w półprzewodniku do izolatora pozostaje niezmieniona q( - i ) Krawędzie pasm energetycznych (E V, E C ) przyjmują taki sam kształt jak rozkład potencjału (x) Czy to jest właściwy kształt pasm przy powierzchni półprzewodnika? E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne fizyka półprzewodników: M-- RKRA MO: MOEL ENEREYCZNY < 0 M O (typu P) POLARYZACJA JEMNA q( - i ) POENCJAŁ POWERZCHNOWY Krawędzie pasm energetycznych (E V, E C ) przyjmują taki sam kształt jak rozkład potencjału (x). Czyli jaki? ale: Z powodu małej przewodności półprzewodnika, w porównaniu z metalem, pole elektryczne wnika w głąb półprzewodnika. -E q E F metal q 0 izolator x x E C E i E F E V półprzewodnik typu p spadek napięcia na warstwie izolatora potencjał powierzchniowy x E - współrzędna dla której x E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne fizyka półprzewodników: M-- 0 x x E x x E x a x zanika pole elektryczne w półprzewodniku x a - grubość warstwy akumulacyjnej 6

7 energia elektronu ładunek q < 0 q > 0 q >> RKRA MO: MOEL ENEREYCZNY POLARYZACJA akumulacja zubożenie inwersja < 0 > 0 >> 0 M O (typu P) M O (typu P) M O (typu P) q( - i ) E C E C E C E F E i E i E i E F E V E F E F E V E F E V E F Q x Q x d x Q x inw x d x x a Q Q =Q d (Q d = -qn A x d ) Q = Q n + Q d E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne fizyka półprzewodników: M-- 3 Q Q d Q n ŁANEK WARW POWERZCHNOWYCH opis ilościowy () ładunek bramki ładunek warstwy zubożonej (ang. depletion) dla półprzewodnika typu p: ład. nieskompensowanych atomów domieszki akceptorowej ładunek elektronów w obszarze inwersyjnym W ogólnym przypadku napięcie bramki: Q oraz: lub: C Zatem napięcie bramki: s s Q C Q C C pojemność warstwy dielektrycznej (tlenkowej ide) ponieważ suma ład.: Q + Q = 0 (warunek obojętności elektrostatycznej) Rozkłady potencjału i gęstości ładunku w półprzewodniku są związane równaniem Poissona: ( x) względna przenikalność x elektryczna półprzewodnika Całkowity ładunek w półprzewodniku: ( x) dx Q E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne fizyka półprzewodników: M

8 ŁANEK WARW POWERZCHNOWYCH opis ilościowy () Ładunek w półprzewodniku, w najogólniejszym przypadku, składa się z trzech składników: ładunek zjonizowanych atomów domieszek, ładunek zjonizowanych centrów generacyjno-rekombinacyjnych i ładunek nośników swobodnych. Zatem, wyznaczenie zależności Q ( s ) można przeprowadzić z różną dokładnością [W. Marciniak, Przyrządy półprzewodnikowe MO, WN, Warszawa, 99]. W najprostszym przybliżeniu uwzględnia się jedynie ładunek zjonizowanych centrów akceptorowych i donorowych o równomiernym rozkładzie. Na głębokości x d istnieje skokowe przejście od obszaru ładunku przestrzennego do obszaru neutralnego. zubożenie Q x d x Q =Q d E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne fizyka półprzewodników: M-- 5 ŁANEK WARW POWERZCHNOWYCH opis ilościowy (3) Zatem: ładunek warstwy zubożonej: lub w ogólnym przypadku: w przypadku zubożenia: Q Q d d Q qn d A x Q q( N N ) x d A d Q x d Q =Q d zubożenie x d grubość warstwy zubożonej, równa głębokości wnikania pola elektrycznego do półprzewodnika x Po rozwiązaniu równania Poissona otrzymujemy rozkład potencjału elektrostatycznego w półprzewodniku: q( N oraz potencjał powierzchniowy: i ładunek: Q z q N N A s s A N d ) x s ( x) ( x s x d ) z znak,, ustala znak ładunku w zależności s od typu półprzewodnika dla zubożenia E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne fizyka półprzewodników: M-- 6 8

9 q >> ŁANEK WARW POWERZCHNOWYCH opis ilościowy (4) Potencjały elektrostatyczne i F Potencjały definiuje się względem poziomu E i w głębi półprzewodnika. Potencjał powierzchniowy to różnica między poziomem samoistnym Fermiego E i w głębi półprzewodnika i na powierzchni. Potencjał Fermiego F określa położenie poziomu Fermiego E F w stosunku do poziomu samoistnego E i w głębi półprzewodnika. M O E C waga: oś potencjału zwrócona do góry oznacza wartość ujemną (bo ładunek elektronu) q q F E i E F E V Zatem, potencjał Fermiego jest: dodatni dla półprzewodnika typu p ujemny dla półprzewodnika typu n E F Potencjał powierzchniowy w stanie zubożenia i inwersji ma ten sam znak co potencjał Fermiego F E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne fizyka półprzewodników: M-- 7 ŁANEK WARW POWERZCHNOWYCH kondensator MO Rozpatrywana struktura MO tworzy kondensator płaski, ale jedna z okładek jest półprzewodnikowa, co wpływa na jego własności M O E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne Fizyka półprzewodników 8 9

10 ŁANEK WARW POWERZCHNOWYCH kondensator MO () Jeśli do wzoru opisującego potencjał powierzchniowy: to otrzymamy: E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne fizyka półprzewodników: M-- 9 d q( N A N ) x Q gdzie: C C podstawimy: x d Q q( N N ) x C pojemność całkowita obszaru ładunku przestrzennego Jest to pojemność warstwy półprzewodnika o grubości x d /, określona w ogólnym przypadku położeniem centroidu tego ładunku (współrzędna centroidu: x d / dla równomiernego rozkładu gęstości ładunku) ZAKREY POENCJAŁ POWERZCHNOWEO W RÓŻNYCH ANACH KONENAORA MO tan powierzchniowy yp n ( F < 0) yp p ( F > 0) Akumulacja > 0 Q < 0 < 0 Q > 0 Płaskie pasma = 0 Q = 0 = 0 Q = 0 Zubożenie F < < 0 Q > 0 0 < < F Q < 0 nwersja F < F Q > 0 F < F Q < 0 ilna inwersja F Q > 0 F Q < 0 A w przypadku zubożenia d ŁANEK WARW POWERZCHNOWYCH kondensator MO () W stanach zubożenia i inwersji sumaryczny ładunek w półprzewodniku: ładunek nośników mniejszościowych Q Q q( N N ) x la małych Q, gdy ładunek Q m jest pomijalnie mały, grubość warstwy ładunku przestrzennego x d jest: Q xd q( N N A) dy rośnie Q (inwersja) szerokość warstwy zubożonej dąży do ustalonej wartości x dmax : x d max 4 F q( N N Pojemność różniczkowa kondensatora MO: przekształcając: ostatecznie: d C dq CC C C C d dq A ) dq C d ds dq C C C ( ) schemat zastępczy dq d C oraz: m - coraz większy udział składowej Q m obszar zubożony nie powiększa się C x Zatem: o całkowitej pojemności kondensatora MO decyduje szeregowe połączenie C i C A d s E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne fizyka półprzewodników: M-- 0 0

11 KONENAOR MO CH-KA pojemnościowo-napięciowa C C ( ) C praktycznie stałe, niezależne od napięcia bramki, C decyduje o wypadkowej pojemności kondensatora MO dla małych częstotliwości ładunek Q m nadąża za zmianami napięcia, co objawia się zwiększeniem pojemności dla silnej inwersji dla dużych częstotliwości ładunek Q m NE nadąża za zmianami napięcia, co objawia się stałą pojemnością dla silnej inwersji nierównowagowa Rysunek zaczerpnięto z W. Marciniak Przyrządy półprzewodnikowe MO, WN 99 E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne fizyka półprzewodników: M-- RZECZYWA RKRA MO W rzeczywistej strukturze MO należy uwzględnić: Nierówne prace wyjścia z półprzewodnika i metalu wstępne zagięcie poziomów energetycznych Energetyczne stany powierzchniowe na granicy izolator-półprzewodnik dodatkowy ładunek Q Zanieczyszczenia w obszarze dielektryka nieskompensowane ładunki E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne fizyka półprzewodników: M--

12 RZECZYWA RKRA MO KONAKOWA RÓŻNCA POENCJAŁÓW Kontaktowa różnica potencjałów to efekt różnych prac wyjścia z metalu i półprzewodnika: ms M q i = 0,95eV 3,eV q = 4,05eV Eg = 9eV q M = 4,eV energia elektronu w próżni EF EC q EC Egi / Ei Egi =,ev F 3,5eV Ei EF EV qf EF EF EV i typu p Al io F napięcie płaskich pasm, NA =,E5cm-3 Z porównania wykresów energetycznych: ms M ( lub inaczej: ms mi F F ln F ) czyli takie napięcie na bramce, które wyprostuje pasma energetyczne Koncentracja domieszki w podłożu: NA dla pp. typu p k potencjał N dla pp. typu n q elektrotermiczny N ni Kontaktowa różnica potencjałów metal-półprzewodnik samoistny E+Ei 08 r. P& E gi F = 0,3 ev, przy =300K ( = 6 mv) Elementy elektroniczne fizyka półprzewodników: M-- 3 RKRA MO NAPĘCE PROOWE Napięcie progowe to takie napięcie bramki, że półprzewodnik na powierzchni wykazuje własności półprzewodnika samoistnego. Odpowiada to takiemu napięciu na bramce, że: s F Z analizy ładunków można wykazać, że: s F V ms Qef C F Qd C F lub inaczej dla podłoża p: V F F równoważny ładunek powierzchniowy Pewien fikcyjny ładunek na granicy izolator-półprzewodnik związany z ładunkami: ruchomym w warstwie tlenku nieruchomym w warstwie tlenku stanów i pułapek powierzchniowych (na granicy tlenek/półprzewodnik) 4q N A F C Qd z q N A N s Często, dla uogólnienia rozważań ładunek zjonizowanych domieszek w podłożu (tutaj Qd) oznaczany jest przez Q - czyli ładunek podłożowy. Czyli napięcie progowe można zapisać jako: Napięcie progowe w kondensatorze! E+Ei 08 r. P& V F F Elementy elektroniczne fizyka półprzewodników: M-- Q C 4

13 RKRA MO NAPĘCE PROOWE - interpretacja Napięcie progowe: V można zinterpretować jako: Qef ms F C Q C napięcie niezbędne do wyprostowania pasm energetycznych F napięcie potrzebne do zagięcia pasm, tak aby potencjał powierzchniowy był równy podwojonemu potencjałowi Fermiego (silna inwersja: = F ) E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne fizyka półprzewodników: M-- 5 Podsumowując truktura MO to kondensator (ale nie taki zwyczajny) Napięcie na bramce może zmieniać stan pracy: akumulacja zubożenie inwersja Kondensator MO ma inne własności w każdym ze stanów pracy Napięcie progowe powoduje powstanie warstwy inwersyjnej V F F Q C E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne fizyka półprzewodników: M-- 6 3

14 >> 0 >> 0 = RANZYOR MO Zróbmy tranzystor =0 > 0 > 0 > 0 > 0 Nic z tego! Prąd płynie. Nie ma sterowania przepływem prądu. E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 7 RANZYOR MO n+ n+ > 0 > 0 > 0 > 0 Potrzebny jest jakiś zawór jednokierunkowy lub zasobnik z elektronami, bo można wytworzyć warstwę inwersyjną wyindukować kanał typu n Jedna dioda to mało! E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 8 4

15 = 0 >> RANZYOR MO n+ n+ n+ druga dioda lub zasobnik n+ = 0 > 0 > 0 > 0 wie diody eraz dobrze. Prąd płynie tylko wtedy, gdy są elektrony pod bramką jest kanał. Napięcie bramki może sterować wartością prądu przez zmianę grubości kanału E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 9 RANZYOR MO OWA Przekrój poprzeczny tranzystora MO, wzbogacanego z kanałem typu n L długość kanału W szerokość kanału Rysunek zaczerpnięto z. Kuta Elementy i układy elektroniczne, AH 000 E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 30 5

16 RANZYOR MO ZAŁANE () = 0, < 0 io n + p n + dy nie ma kanału w obwodzie dren-źródło prąd nie płynie (pomijając znikomy prąd wsteczny diody) > 0 = 0 E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 3 RANZYOR MO ZAŁANE () > V p io n + n + > V inwersja: zmiany powodują modulację konduktancji kanału sterując prądem drenu > 0 > 0 PRACA LNOWA E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 3 6

17 RANZYOR MO ZAŁANE (3) odcięcie kanału = V dalsze zwiększanie > V io n+ > V n+ NAYCENE: zmiany NEPOWOJĄ wzrostu prądu drenu p >> 0 = const. Elementy elektroniczne tranzystor MO E+Ei 08 r. P& 33 RANZYOR MO PRĄ REN >0 kanał (typu n) >0 Qn(y) =0 = R io n+ przy czym: n+ obszar zubożony p padek napięcia na elemencie y kanału można zapisać jako: y rezystywność kanału określona jako: y x () () gdzie: pole pow. przekroju kanału: = x W Q(y) 0 ΔR (prawo Ohma) Δy e ruchliwość elektronów (3) (4) q e n( y ) n(y) koncentracja elektronów jako fun. położenia y w kanale L L długość kanału W szerokość kanału (wg. osi Z ukł. wsp.) Podstawiając powyższe (), (3) i (4) do () mamy: Δy Δ q e n( y ) W x (5) Ponieważ n(y) to koncentracja nośników (elektronów) na Założenia: w kanale jest warstwa inwersyjna, źródło zwarte z podłożem, między drenem a źródłem płynie prąd, tranz. pracuje z zakresie nienasycenia. E+Ei 08 r. P& jednostkę objętości, więc iloczyn: q n(y) x można potraktować jako powierzchniową gęstość ładunku ruchomego w kanale, więc: Qn(y) = q n(y) x (znak minus bo nośnikami są elektrony). Zatem spadek napięcia na elemencie y to: Δ Δy (6) e W Qn(y) Elementy elektroniczne tranzystor MO 34 7

18 =0 >0 io obszar zubożony p kanał (typu n) Q n (y) n + n + 0 x y Q (y) L długość kanału W szerokość kanału L >0 Przy źródle potencjał wynosi F, to jest warunek silnej inwersji, a potem, w kierunku drenu, powiększa się o spadek napięcia w kanale. y RANZYOR MO PRĄ REN () Powyższe równanie może być przepisane jako: Δy e W (Q n(y) ) Δ (7) Zgodnie z rozważaniami dotyczącymi kondensatora MO, dla przypadku inwersji, ładunek w półprzewodniku można zapisać jako sumę ładunku podłożowego (ujemne zjonizowane atomy domieszki akceptorowej) i ładunku elektronów (ruchomych nośników warstwy inwersyjnej): Q Q n + (Q ) i podstawiając Q n do równania (7) mamy: Δy e W Q(y) Q (y) Δ (8) Q Ładunek w półprzewodniku Q można wyznaczyć z równania: s C opisującego napięcie bramki, które zostanie zmodyfikowane o napięcia Q płaskich pasm, więc napięcie bramki: F s (9) C Zatem: Q(y) C F s(y) (0) Ponieważ pod bramką istnieje warstwa oraz przez kanał płynie prąd wywołujący spadek napięcia (y) w każdym punkcie kanału, to rozkład potencjału powierzchniowego wzdłuż kanału (y) należy zapisać jako: (y) (y) F () E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 35 =0 >0 io obszar zubożony p kanał (typu n) Q n (y) n + n + 0 x y Q (y) L długość kanału W szerokość kanału L >0 i dalej przekształcić do postaci: Następnie uwzględniając y RANZYOR MO PRĄ REN (3) Podstawiając () do (0) otrzymujemy równanie na ładunek w półprzewodniku uzależnione od rozkładu napięcia w kanale: Wykorzystując () równanie (8) można podstawić: Ładunek w podłożu Q w równaniu (3) w ogólności zależy od położenia y, ale można dla uproszczenia obliczeń założyć, że jest stały, nie zależny od położenia w kanale i opisany znanym już równaniem: Q 4q N Zatem równanie (3) można przepisać: Δy C W (y) Δ Q W Δy W C Q (y) C C W e e Δy C e e W Q F C E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 36 F d (y) Δ A F Δ definicję napięcia progowego: Δy C W V (y) Δ F F (y) Q (y) Δ (y) Δ Q (y) W Δ F e F F F (y) F F e e () (3) (4) (5) 8

19 RANZYOR MO PRĄ REN (4) =0 >0 io obszar zubożony p kanał (typu n) Q n (y) n + n + 0 x y Q (y) L długość kanału W szerokość kanału L >0 y eraz wystarczy już tylko scałkować równanie (5) w odpowiednich granicach ( po kanale od 0 do L i po napięciu od 0 do ): L otrzymując: i ostatecznie: ZAKRE LNOWY 0 dy C L C C W e V (y) 0 e W W e L d V V (6) (7) dy napięcie osiągnie wartość = V, to wg równania (7) prąd drenu musiałby maleć ( w liniowym zakresie jest kwadratową funkcją ). Wtedy przy drenie następuje zanik kanału nasycenie. Zatem podstawiając ten warunek ( = V ) do równania (7) otrzymujemy wyrażenie na prąd drenu w nasyceniu: W V Ce ZAKRE NAYCENA L la tranzystora typu P prąd drenu i napięcie są ujemne. E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 37 RANZYOR MO CHARAKERYYK WYJŚCOWE ZAKRE LNOWY > V n 0V < < V n W nc( V ) L ZAKRE NAYCENA > V n > V n > 0V W nc L ( V ) OCĘCE < V n = 0 V E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 38 9

20 RANZYOR MO CHARAKERYYK PRZEJŚCOWE ZAKRE NAYCENA > V n > V n > 0V W nc L ( V ) ZAKRE LNOWY > V n 0V < < V n W nc( V ) L E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 39 ROZAJE RANZYORÓW MO Jeśli = 0 to brak kanału p Rysunek zaczerpnięto z. Kuta Elementy i układy elektroniczne, AH 000 E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 40 0

21 ROZAJE RANZYORÓW MO Przy =0 istnieje kanał i możliwy jest przepływ prądu Rysunek zaczerpnięto z. Kuta Elementy i układy elektroniczne, AH 000 E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 4 RANZYOR MO CHARAKERYYK WYJŚCOWE - pomiary PMO NMO Ei 04 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 4

22 RANZYOR MO CHARAKERYYK PRZEJŚCOWE - pomiary PMO NMO Czy można na tych ch-kach wskazać zakres pracy liniowej i nasycenia? Jak będzie wyglądała ewentualna krzywa rozdzielająca te zakresy? Ei 04 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 43 Przykład Oblicz prąd drenu tranzystora z rysunku, jeśli napięcie = 5 V, = V, napięcie progowe V = V, a parametr transkonduktancyjny (C µ e W/L) wynosi 0,5 ma/v. R ZAKRE LNOWY > V n 0V < < V n W nc L ( V ) ZAKRE NAYCENA > V n > V n > 0V W nc L ( V ) Ei 04 r. P& Elementy elektroniczne Fizyka półprzewodników 44

23 Przykład Oblicz prąd w obwodzie z rysunku, jeśli napięcie = 5 V, a napięcie progowe tranzystora V = V i parametr transkonduktancyjny (C µ e W/L) wynosi 0,5 ma/v. ZAKRE NAYCENA > V n > V n > 0V W nc L Ei 04 r. P& Elementy elektroniczne Fizyka półprzewodników 45 ( V ) RANZYOR MO EFEK KRÓCENA KANAŁ dla NMO io n + obszar zubożony p L' L n + Pod wpływem wzrostu napięcia skraca się kanał. Na odcinku L' - at w zakresie linowym (bez zmian): W nc V L w zakresie nasycenia: W nc( L V ) ( ) / efekt ten często jest nazywany efektem modulacji długości kanału V E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 46 3

24 RANZYOR MO EFEK POŁOŻOWY io n + obszar zubożony n + V V ( ) 0 s s dla NMO p - współczynnik objętościowy PMO NMO E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 47 RANZYOR MO inne zjawiska EFEK KRÓKEO KANAŁ Krótszy kanał io n + n + obszar zubożony L p io obszar zubożony n + n + L' p ładunki przestrzenne złączy - i - są bliżej bardziej przykrywając obszar kanału zwiększa się udział składowej wzdłużnej pola elektr. ( ) w indukowaniu ładunku w kanale napięcie musi wykonać mniejszą pracę w celu wytworzenia kanału mniejsze napięcie progowe V E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 48 4

25 RANZYOR MO inne zjawiska EFEK WĄKEO KANAŁ płaszczyzna przekroju kanału Węższy kanał pole poprzeczne (od nap. bramki) indukuje ładunek przestrzenny nie tylko pod bramką obszar zubożony io p W io p W' kanał się zwęża więc zwiększa się udział składowej poprzecznej pola elektr. ( ) w indukowaniu ładunku poza kanałem V wąski kanał napięcie musi wykonać większą pracę w celu wytworzenia kanału większe napięcie progowe V krótki kanał W, L E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 49 RANZYOR MO inne zjawiska ZAKRE POPROOWY łaba inwersja: F < F W warunkach silnej inwersji koncentracja nośników mniejszościowych przy powierzchni (w kanale) jest większa niż koncentracja nośników większościowych w głębi półprzewodnika. tąd zapięcie progowe można zdefiniować jako takie napięcie bramki, że koncentracja ZAKRE POPROOWY 0( ) exp yfuzyjny mechanizm przepływu prądu zakres podprogowy V E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 50 5

26 RANZYOR MO WPŁYW EMPERARY Na prąd drenu mają wpływ zależności temperaturowe: ruchliwości nośników w kanale napięcia progowego emperaturowy współczynnik prądu drenu dla zakresu nasycenia: W może być dodatni, ujemny lub zerowy w zależności od napięcia V ( ) W la ruchliwości ( a): a la napięcia progowego: V m Eg q Qef C < F s F Eg nieznacznie maleje gdy temp. rośnie F zmienia się o ok. mv/k Elementy elektroniczne tranzystor MO E+Ei 08 r. P& 5 RANZYOR MO MOEL WELKOYNAŁOWY io n+ n+ L p i prąd w kanale: ZAKRE LNOWY i C e u W u u L ZAKRE NAYCENA i C e u u W u L Małe litery składowa stała i zmienne (sygnał całkowity) diody - i -: i exp, i exp E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 5 6

27 RANZYOR MO MOEL WELKOYNAŁOWY n + io n + p L prąd w kanale: ZAKRE LNOWY W i Ce L ZAKRE NAYCENA W u i Ce L u u u Małe litery składowa stała i zmienne (sygnał całkowity) diody - i -: i exp, i exp i R ' ' u u R E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 53 RANZYOR MO MOEL WELKOYNAŁOWY n + io n + p L prąd w kanale: C R ' i ' C R ZAKRE LNOWY i C i W u e u u L C W u C ZAKRE NAYCENA e L C u u C Małe litery składowa stała i zmienne diody - i -: i exp, i exp E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 54 7

28 RANZYOR MO MOEL WELKOYNAŁOWY n + io n + p L prąd w kanale: C R ' i ' C R ZAKRE LNOWY i C i W u e u u L C W u C ZAKRE NAYCENA e L Małe litery składowa stała i zmienne diody - i -: C u u C i exp, i exp E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 55 RANZYOR MO WZMACNACZ i R i /R -/R Q u u u i W Cu L u V u i W C L u V u E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 56 8

29 RANZYOR MO WZMACNACZ i i /R -/R Q(, ) id Q(, ) V u u ugs uds E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 57 RANZYOR MO MOEL MAŁOYNAŁOWY i i g ds g m R u u i u u u we u gs g ds g u ds g m u gs E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 58 9

30 RANZYOR MO MOEL MAŁOYNAŁOWY C gd r dd i gm u g ds i u u gs W C L C gs C gb W C L g m u gs r ss V ubs - konduktancja wyjściowa (dla zakresu nasycenia) g mb u bs E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 59 C bs g mb i u g ds C db - transkonduktancja (dla zakresu nasycenia) f i V V u C gs gm C gd C częstotliwość odcięcia gb gdy amplituda prądu wej. = prądowi źr. ster. g m u gs, przy zwartym wyj. - konduktancja przejściowa podłoża NWERER CMO POAWOWA RAMKA CYFROWA wa tranzystory o przeciwnym typie przewodnictwa (PMO i NMO) Complementary MO pmo tr. jako klucze un nmo uo un uo E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne zastosowanie tranzystora MO 60 30

31 NWERER CMO POAWOWA RAMKA CYFROWA uo Ch-ka przejściowa pmo un = 0 nmo uo = u V n V p un 0 E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne zastosowanie tranzystora MO 6 NWERER CMO POAWOWA RAMKA CYFROWA uo Ch-ka przejściowa pmo nmo un = u uo = 0 V n V p un 0 E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne zastosowanie tranzystora MO 6 3

32 NWERER CMO POAWOWA RAMKA CYFROWA uo pmo nmo V n V p un uo un 0 E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne zastosowanie tranzystora MO 63 NWERER CMO i uo V V uo i pmo nmo V n V p un uo un 0 E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne zastosowanie tranzystora MO 64 3

33 NWERER CMO nmo w stanie odcięcia, pmo w obszarze liniowym uo V V nmo w stanie nasycenia, pmo w obszarze liniowym uo i nmo w stanie nasycenia, pmo w stanie nasycenia V nmo w obszarze liniowym, pmo w stanie nasycenia V n V p un V nmo w obszarze liniowym, pmo w stanie odcięcia 0 E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne zastosowanie tranzystora MO 65 NWERER CMO nmo w stanie odcięcia, pmo w obszarze liniowym uo V V nmo w stanie nasycenia, pmo w obszarze liniowym uo i nmo w stanie nasycenia, pmo w stanie nasycenia V nmo w obszarze liniowym, pmo w stanie nasycenia V n V p V nmo w obszarze liniowym, pmo w stanie odcięcia 0 un E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 66 33

34 ALZAOR PRĄ =const =0 =- =-4 R L =0 E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 67 PORÓWNANE RANZYORA POLARNEO MOFE RANKONKANCJA POLARNY MOFE g mj C E C C g mmo C n OX W L - niezależna od procesu technologicznego - zależna od procesu technologicznego - niezależna od wymiarów - zależna od wymiarów g mj g mmo E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne J v. MOFE 68 34

35 PORÓWNANE RANZYORA POLARNEO MOFE MPEANCJA WEJŚCOWA POLARNY MOFE r bej g m C r gsmo - bardzo mała rbe r gs E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne J v. MOFE 69 PORÓWNANE RANZYORA POLARNEO MOFE MPEANCJA WYJŚCOWA r 0J POLARNY AF C CE r MOFE 0MO C, AF, /λ CE, E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne J v. MOFE 70 35

36 PORÓWNANE RANZYORA POLARNEO MOFE WZMOCNENE POLARNY MOFE K K uj uj g mjr 0 AF jeżeli np. AF =50V, to K u =000 CE K umo K umo g V mmor 0 n V n E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne J v. MOFE 7 PORÓWNANE RANZYORA POLARNEO MOFE CZĘOLWOŚĆ RANCZNA POLARNY MOFE f J g m C C C MO n f g C m gs n L V f J f MO E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne J v. MOFE 7 36

37 ranzystory MO w układach scalonych ramka samocentrująca polikrzemowa mniejsze pojemności C i C większa szybkość przełączania kalowanie ciągłe proporcjonalne zmniejszanie wymiarów mniejsze pojemności, niższe napięcie zasilania mniejsze straty mocy dynamicznej (P = f C ), ale większe straty statyczne (tunelowanie i inne zjawiska); technologie dla L<80nm zolator pod bramką high-k lekarstwo na straty statyczne (tunelowanie) Nowe struktury FinFE, FO redukcja strat statycznych cdn. semestr 5 E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne tranzystor MO 73 Czy ten tranzystor jest tak jakoś ważny? z blogu Jacoba Wikner a: Kim jest Jacob Wikner E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne ciekawostki 74 37

38 Czy ten tranzystor jest tak jakoś ważny? Za ntel em na Ziemi jest około,*0 tranzystorów: Porównajmy tę liczbę z innymi na Ziemi: Liczba ludzi na Ziemi: (±00 milionów) 7*0 9 ługość równika: ok km (4*0 7 m) Powierzchnia Ziemi: 50 milionów km, tj. 5,*0 4 m ługość kanału przeciętnego tranzystora przyjmuje się: 00 nm zerokość kanału przeciętnego tranzystora przyjmuje się: 00 nm Człowiek składa się z ok. 37*0 komórek (za: kładając wszystkie tranzystory jeden obok drugiego: itd. E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne ciekawostki 75 Czy ten tranzystor jest tak jakoś ważny? i może najciekawsze: E+Ei 08 r. P& Elementy elektroniczne ciekawostki 76 38