Tranzystor bipolarny: częstotliwość graniczna f T

Transkrypt

1 Tranzystor bipolarny: częstotliwość graniczna f T Zakres małych prądów: dominacja wpływu pojemności warstw zubożonych f T qi C ( + ) 2π kt C C je jc Zakres dużych prądów: dominacja wpływu czasu przelotu 2 1 f T πτ F

2 Tranzystor bipolarny: częstotliwość graniczna f T Zakres dużych prądów: dominacja wpływu czasu przelotu f T 2 1 πτ F τ = F W kd 2 B np, K=2; tylko dyfuzja K>2; pole elektryczne w bazie (gradient koncentracji domieszek, gradient składu HBT)

3 Tranzystor bipolarny: częstotliwość graniczna f max ( Maksymalna częstotliwość generacji ) definicja: K pmax =1 Warunki osiągnięcia maksymalnego wzmocnienia mocy : dopasowanie na wejściu i wyjściu, Spełniony warunek stabilności ( zneutralizowany wpływ wewnętrznego sprzężenia zwrotnego - unilateryzacja tranzystora ) f max = ft 8π rc B jc

4 Tranzystor bipolarny BJT Aby uzyskać duże wzmocnienie prądowe należy: domieszkować bazę słabiej niż emiter zmniejszać grubość bazy Konsekwencje takiego postępowania są następujące: duża rezystancja bazy (ograniczenie częstotliwości granicznych, nierównomierna polaryzacja złącza E-B) małe napięcie Early ego (mała rezystancja wyjściowa) małe napięcie przebicia skrośnego

5 Heterostruktura (Heterozłącze) E C Emiter ΔE C Baza E GA Półprzewodnik B E GB E V Półprzewodnik A E V ΔE V Idea: wykorzystujemy dwa różne materiały Główny problem: dopasowanie sieci krystalicznych

6 Główny problem: dopasowanie sieci krystalicznych Emiter E C ΔE C E G ~1.75eV Al X Ga 1-X As X=0.25 E V Baza GaAs E G =1.42eV E V ΔE V AlAs i GaAs są znakomicie dopasowane sieciowo (0.14% różnicy stałych sieci). To umożliwiło pierwszą realizację tranzystora HBT (IBM-1972). Prawie ćwierć wieku potrzeba było na realizację pomysłu Shockleya W.P. Dumke i in., GaAs-GaAsAl heterojunction transistor for high frequency operation, Solid State Electronics, vol.15, p.1339 (1972)

7 Dlaczego SiGe Kompatybilny z krzemem Łatwo integrowalny z technologią CMOS Właściwości SiGe regulowane przez zawartość Ge Koszt porównywalny z technologią krzemową

8 Krzemogerman to: inżynieria przerwy energetycznej, inżynieria naprężeń, inżynieria dopasowania sieci różnych materiałów, heterostruktury dla przyrządów bipolarnych, przyrządów MOS i optoelektroniki.

9 Konsekwencje to: bardzo szybka mikroelektronika krzemowa, mikrosystemy, optoelektronika (być może optyczna sieć połączeń w układach ULSI).

10 Skomercjalizowano (masowa produkcja) tranzystory HBT z bazą SiGe Technologie BiCMOS, Układy analogowe, Elementy dyskretne. Osiągnięto: f T 370 GHz f max 350 GHz

11 Kompromis szybkość-moc Duża szybkość Mała moc

12 Osiągnięcia

13 Częstotliwość f T [GHz ] 4X 1.7X Źródło: D.L. Harame i in., Applied Surface Science 224 (2004) 9-17

14 Podsumowanie Wprowadzenie SiGe, Ge i C do technologii krzemowej pozwala realizować heterostruktury na związkach A IV B IV. Do technologii krzemowej wprowadzono inżynierię przerwy energetycznej i naprężeń Wprowadzenie SiGe w technologii tranzystorów bipolarnych radykalnie (kilkakrotnie) zwiększyło ich częstotliwości graniczne. Aktualnie jest to w pełni dojrzała i skomercjalizowana technologia. Wprowadzenie SiGe i naprężonego krzemu do technologii MOS stwarza nadzieję na poprawę parametrów użytkowych tych przyrządów

15 Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszawskiej Elektronika 1 elementy i układy elektroniczne Tranzystor MOSFET Warszawa, luty 2009

16 kontakt do źródła bramka kontakt do drenu tlenek polowy n + źródło podłoże p-si L n + dren W

17 kontakt do źródła bramka kontakt do drenu tlenek polowy n + n + źródło podłoże p-si dren W

18 Kondensator MOS (1) ~0.5 μm kilka nm bramka SiO 2 poli-si kilkaset μm ~0.5 μm p-si podłoże Al Na rysunku nie zachowano skali!!!

19 Struktura bramki tranzystora MOS MOS rok 2008 krzemek (~15 nm) bramka polikrzemowa (~46 nm) warstwa zubożona w poli-si (~0.5 nm) tlenek bramkowy (EOT ~1 nm) warstwa inwersyjna podłoże Si warstwa zubożona (~35 nm) Na podstawie danych ITRS 2006

20 STAN AKUMULACJI (U G < U FB ) bramka SiO 2 Si typu p podłoże

21 STAN PŁASKICH PASM (U G = U FB ) bramka SiO 2 Si typu p podłoże

22 STAN ZUBOŻENIA (U FB < U G < U T ) bramka SiO 2 obszar zubożenia Si typu p podłoże

23 POCZĄTEK STANU SŁABEJ INWERSJI (U G = U MB ) tlenek półprzewodnik ENERGIA POTENCJAŁ ϕ s = ϕ F ϕ F E c E i E F E v x = 0 x p s = n s = n i x d -qn a Q b

24 POCZĄTEK STANU SILNEJ INWERSJI (U G = U T ) tlenek półprzewodnik ENERGIA POTENCJAŁ ϕ s = 2ϕ F ϕ F ϕ F E c E i E F E v p s = n i2 /N a x = 0 x dmax n s = N a Q -qn bmax a x

25 Początek silnej inwersji Napięcie progowe: U T = U G s b max ( ϕ = 2 ϕ ) = U + ϕ = U + 2ϕ F s F FB Q C ox s FB Q C ox U T = U FB + 2ε 0 ksiqna 2ϕ F + C ox 2ϕ F

26 STAN SILNEJ INWERSJI (U G > U T ) bramka warstwa inwersyjna SiO 2 obszar zubożenia Si typu p podłoże

27 STAN SILNEJ INWERSJI (U G > U T ) tlenek półprzewodnik ENERGIA POTENCJAŁ ϕ s > 2ϕ F ϕ F ϕ F E c E i E F E v p s < n i2 /N a n s > N a x = 0 x dmax x -qn a Q bmax Q inv

28 Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszawskiej Przyrządy Półprzewodnikowe wykład Tranzystor MOS Andrzej Jakubowski, Lidia Łukasiak Warszawa, maj 2008

29 Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor MOSFET BRAMKA ŹRÓDŁO L eff X J DREN Podłoże krzemowe

30 Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor MOSFET ściskanie wzrost BRAMKA ŹRÓDŁO L eff X J Podłoże krzemowe DREN

31 Technologia CMOS

32 Istnieją dwa komplementarne typy tranzystorów: n-kanałowy i p-kanałowy n kanałowy +V G p kanałowy -V G +V D -V D n Krzem p n p Krzem n p + Włączany dodatnimi napięciami bramki i drenu Prąd wywołany jest dryftem ujemnych (negative) elektronów Włączany ujemnymi napięciami bramki i drenu Prąd wywołany jest dryftem dodatnich (positive) dziur

33 Dwa rodzaje tranzystora MOS pmosfet (p-channel) nmosfet (n-kanał) Gate Bramka Source Drain Żródło Dren p + p + n + n + n-type silicon substrate Podłoże typu p Drain Dren Gate Substrate Bramka Podłoże Source Żródło

34 Tranzystor NMOS S 1 U GG = V Obwód bramki rozwarty Bramka Źródło Dren n + n + podłoże p-si LED (nie świeci) U DD = V

35 Tranzystor NMOS stan przewodzenia S 1 e- U GG = V Źródło Bramka n + n + dziury podłoże p-si Ładunek dodatni Dren I DS LED świeci e- e- U DD = V

36 Tranzystor PMOS (Stan przewodzenia ) S 1 V GG = V Ładunek ujemny e- Źródło Bramka Dren I DS p + p + elektrony Podłoźe typu n LED świeci e- e- V DD = V

37 Skalowanie w dół daje szybsze, lepsze i tańsze tranzystory Narysowane w tej samej skali 1.0 µm Połowa lat 1980-tych Szybkość ~ 10 Mega Hertz 0.10 µm Wczesne lata 2000 Szybkość ~ 3,000 MHz (3 Giga Hertz) Źródło: Sematech

38 Skalowanie kontakt do źródła U S U G bramka U D kontakt do drenu tlenek polowy t ox n + n + x j źródło L dren podłoże p-si U B S x (L, W, t ox, x j ) S x (U T, U G, U D ) S 2 x (UI) S 3 x (CU 2 ) W S S = 0.2 n + n + źródło dren podłoże p-si

39 Przekrój n-kanałowego tranzystora MOS dielektryk bramkowy źródło (S) bramka (G) dren (D) n + n + obszar zubożony S = source G = gate D = drain B = bulk podłoże p-si L podłoże (B)

40 TRANZYSTOR MOS. ZASADA DZIAŁANIA G S D V S = V B = 0 U GS < U T U DS małe n + n + obszar zubożony L y=0 y=l podłoże p-si Brak warstwy inwersyjnej, I D 0 B

41 warstwa inwersyjna (kanał tranzystora) G TRANZYSTOR MOS. ZASADA DZIAŁANIA V S = V B = 0 U GS > U T U DS małe Przy napięciu bramki przewyższającym napięcie progowe pojawia się warstwa inwersyjna (kanał). Zaczyna płynąć prąd drenu. S n + n + obszar zubożony L y=0 y=l podłoże p-si B D

42 TRANZYSTOR MOS. ZASADA DZIAŁANIA S G D V S = V B = 0 U GS > U T n + n + U DS < U GS -U T Wzrost napięcia drenźródło powoduje zmiany potencjału powierzchniowego wzdłuż kanału tranzystora (zwężanie kanału, wzrost grubości warstwy zubożonej). L y=0 y=l podłoże p-si B

43 TRANZYSTOR MOS. ZASADA DZIAŁANIA V S = V B = 0 S G D U GS > U T U DS = U GS -U T = U DSsat n + n + Przy dostatecznie dużym napięciu U DS następuje odcięcie kanału przy drenie. Napięcie to nazywa się napięciem nasycenia. L y=0 y=l podłoże p-si B

44 Rodzina charakterystyk wyjściowych tranzystora NMOS 4.0 PRĄD DRENU [ma] ZAKRES NIENASYCENIA I D = I Dsat ZAKRES NASYCENIA UGS NAPIĘCIE DREN-ŹRÓDŁO [V]

45 TRANZYSTOR MOS. ZASADA DZIAŁANIA V S = V B = 0 S G D U GS > U T U DS > U GS -U T = U DSsat Dalszy wzrost napięcia U DS powoduje przesuwanie się punktu odcięcia kanału w stronę źródła. n + n + ΔL L y=0 y=l podłoże p-si B

46 Tranzystor MOS Wprowadzając współczynnik materiałowo-konstrukcyjny: β= Wμ * n L C ox Oraz pamiętając, że napięcie progowe wyraża się wzorem: U Q = U b +2ϕ T FB F Cox

47 Tranzystor MOS otrzymujemy ostatecznie: U ( ) DS I = β U U U D GS T DS 2 2 (formuła słuszna w zakresie nienasycenia)

48 w zakresie nasycenia: Tranzystor MOS di = = du = ( ) D Qn L 0 lub 0 DS U U DS DSsat stąd: U = U U DSsat GS T oraz β I = U U 2 ( ) 2 Dsat GS T

49 Obliczone charakterystyki wyjściowe tranzystora NMOS 4.0 U GS = 3 V PRĄD DRENU [ma] U GS = 2.5 V U GS = 2 V U GS = 1.5 V NAPIĘCIE DREN-ŹRÓDŁO [V]

50 4.0 Zakresy pracy tranzystora NMOS PRĄD DRENU [ma] ZAKRES NIENASYCENIA I D = I Dsat ZAKRES NASYCENIA NAPIĘCIE DREN-ŹRÓDŁO [V]

51 Charakterystyka przejściowa w zakresie nasycenia 4.0 PRĄD DRENU [ma] U DS > U DSsat = U GS -U T Napięcie progowe U T = 0.71 V U DS = 3.0 V NAPIĘCIE BRAMKA-ŹRÓDŁO [V]

52 Procedura wyznaczania parametrów modelu 2.0 PRĄD DRENU [(ma) 1/2 ] nachylenie napięcie progowe U T = 0.71 V β 2 NAPIĘCIE BRAMKA-ŹRÓDŁO [V] = β = WμeffC L ox

53 Tranzystor MOS GRANICZNA CZĘSTOTLIWOŚĆ PRACY Pokażemy teraz, że stała czasowa tworzenia warstwy inwersyjnej jest równa czasowi przelotu nośników przez kanał tranzystora. Spadek napięcia na kanale tranzystora w zakresie nasycenia jest równy napięciu nasycenia drenu: U ( U V ) DSsat GS T

54 Tranzystor MOS GRANICZNA CZĘSTOTLIWOŚĆ PRACY Średnia wartość natężenia pola elektrycznego w kanale oraz średnia prędkość unoszenia nośników (przy pominięciu efektu modulacji kanału, czyli założeniu ΔL<<L) wynoszą: E śr ( U V ) GS L T v ( U V ) μ * μ * E n GS T śr n śr L

55 Tranzystor MOS GRANICZNA CZĘSTOTLIWOŚĆ PRACY Ostatecznie otrzymujemy czas przelotu nośników przez kanał tranzystora : t p L = L 2 ( ) * śr n GS T v μ U V

56 Uproszczony elektryczny układ zastępczy tranzystora MOS (wszystkie elementy pasożytnicze pominięto) Bramka Dren C we i d =g m u gs u gs Źródło u ds i g =i we = u gs ωc we i d =i wy = u gs g m Jeśli : i wy =i we to ω=ω T = g m /C we

57 GRANICZNA CZĘSTOTLIWOŚĆ PRACY Jeśli przyjmiemy : C we W L C ox oraz g m =g msat,to znowu otrzymamy : f T 2 1 π μ * n U GS L 2 U T Często stosowaną miarą porównawczą szybkości działania tranzystorów MOS jest czas : t = CV I

58 CZĘSTOTLIWOŚĆ GRANICZNA Idealny MOSFET pominięto efekty pasożytnicze i pojemności złącz V DS V GS V T V drift = μe (E << E cr ) 1 μ f V V 2π L ( ) T 2 GS T 1990 L = 1 μm μ = 400 cm 2 /Vs V GS V T = 3 V 2005 L = 0.1 μm μ = 250 cm 2 /Vs V GS V T = 0.5 V 2020 L = 0.01 μm μ = 100 cm 2 /Vs U GS U T = 0.25 V koncentracja domieszek ruchliwość (? ) f T 20 GHz f T 200 GHz f T 4 THz(? )

59 Polaryzacja podłoża w tranzystorze nmos podłoże Bramka (body)-v polikrzemowa - V B G Źródło-V Dren - V S D n + p + n + n + p warstwa inwersyjna dielektryk bramkowy p n

60 Parametr λ w funkcji napięcia źródło-podłoże 0.6 U GS -U T = 1 V N a = cm -3 LAMBDA [V -1 ] N a = cm NAPIĘCIE DREN-ŹRÓDŁO [V]

61 8.0 N a = cm -3 U GS -U T = 3 V PRĄD DRENU [ma] λ = /V U GS -U T = 2 V U GS -U T = 1 V NAPIĘCIE DREN-ŹRÓDŁO [V]

62 Porównanie prostego modelu tranzystora NMOS z numerycznym modelem Pierreta-Shieldsa 4.0 PRĄD DRENU [ma] Pierret-Shields prosty U GS = 3 V U GS = 2 V NAPIĘCIE DREN-ŹRÓDŁO [V]