Przyrządy półprzewodnikowe część 4

Przyrządy półprzewodnikowe część 4 Prof. Zbigniew Lisik Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój: 110 e-mail: zbigniew.lisik@p.lodz.pl wykład 30 godz. laboratorium 30 godz WEEIiA E&T

Tranzystor JFET Przyrządy unipolarne Tranzystory Podstawowe własności : p + prąd obciążenia I płynie od elektrody źródła do elektrody drenu n - channel złącze p+ n-kanał jest spolaryzowane wstecznie nie występuje wstrzykiwanie nośników, gęstości nośników są równe ich wartościom równowagowym prąd obciążenia może być traktowany jako prąd czysto większościowy tranzystor jest sterowany przez napięcie bramka-źródło U JFET

Tranzystor JFET charakterystyka przejściowa n p + I I 1 U P U Założenie: U jest tak małe, że nie wpływa na zjawiska w kanale. Kanał dla przepływu prądu jest ograniczony przez krawędzie warstwy CR obu złącz. Ponieważ N a >>N d większa część CR występuje w warstwie n-kanału. U = 0 U małe I = I 1

Tranzystor JFET charakterystyka przejściowa I I 1 Kiedy wartość U rośnie, warstwa CR rozszerza się i szerokość kanału maleje. Jeżeli szerokość kanału jest mniejsza, jego rezystancja staje się większa i prąd drenu I maleje. U P U U p < U < 0 U małe I < I 1

Tranzystor JFET charakterystyka przejściowa I I 1 U P U Kiedy wielkość napięcia U osiąga wartość U P, nazywaną napięciem odcięcia, CR wypełnia cały obszar kanału i kanał znika. Jeżeli nie ma kanału ze swobodnymi nośnikami, w naszym przypadku elektronami, prąd pomiędzy źródłem i drenem nie może płynąć. Tranzystor znajduje się w stanie wyłączenia. U = U p U małe I = 0

Tranzystor JFET charakterystyki wyjściowe Obszar liniowy Obszar nasycenia n p I U = 0 U P U = U p U Omówienie zjawisk wywołanych wzrostem napięcia U przedstawiono dla krzywej odpowiadającej U =0 (linia niebieska). Przy U =0, występuje maksymalna osiągalna wartość prądu drenu, I. U = 0 U = 0 I = 0

Tranzystor JFET charakterystyki wyjściowe Obszar liniowy I U = 0 U = U p U P U W obszarze liniowym kanał pozostaje otwarły chociaż lateralny spadek napięcia, wywołany przepływem prądu, prowadzi do modulacji kształtu kanału. Jak długo różnice w szerokości kanału przy źródle i drenie są pomijalnie małe charakterystyka jest liniowa, ulega ona jednak zakrzywieniu gdy stają się one istotne. U = 0 U < U p 0 < I < I

Tranzystor JFET charakterystyki wyjściowe Obszar nasycenia P I U = 0 U = U p U P U Kiedy spadek napięcia wzdłuż kanału osiągnie wartość równą napięciu odcięcia, U = U p, polaryzacja złącza bramka-kanał od strony drenu również staje się równa U p. Oznacza to, że górny i dolny obszar CR łączą się i następuje w tym miejscu przerwanie kanału. U = 0 U = U p I = I

Tranzystor JFET charakterystyki wyjściowe Obszar nasycenia P I U = 0 U = U p U P U W obszarze nasycenia, warunki panujące w kanale ulegają zamrożeniu : spadek napięcia do punktu przerwania kanału P pozostaje stały, stała jest rezystancja pomiędzy elektrodą źródła i punktem P, a stały prąd płynący w kanale, I, jest zbierany przez obszar CR i przenoszony do obszaru drenu. U = 0 U = U p I = I

Tranzystor JFET charakterystyki wyjściowe Obszar nasycenia P I U = 0 U = U p U P U W obszarze nasycenia, wzrost napięcia U prowadzi jedynie do wzrostu obszaru CR w wyniku przesunięcia się jego granicy od strony drenu, bez zmian w wartości prądu drenu I. Wielkość prądu drenu jest zależna jedynie od warunków w pozostałej części kanału, które nie ulęgają zmianie. U = 0 U = U p I = I

Tranzystor JFET charakterystyki wyjściowe Obszar nasycenia I U = 0 P U = U p U P U Kiedy występuje polaryzacja bramki, U 0, początkowa szerokość kanału jest mniejsza i efekt odcięcia występuje przy mniejszym napięciu U oraz mniejszej wartości prądu drenu. ranica pomiędzy obszarami liniowym i nasycenia ma kształt paraboliczny określony zależnością: U < 0 U = U p I < I U P = U + U

Tranzystor JFET układ O O I I = y 11 U + y 12 U I U I C = y 21 U + y 22 U U Transkonduktancja I I g m I U U const U P U

Zasada działania struktury MI Rozważmy półprzewodnikowy rezystor z dwoma kontaktami planarnymi oznaczonymi jako i. U + - L Jeżeli do jego kontaktów zostanie przyłożone napięcie U, popłynie pomiędzy nimi prąd I o amplitudzie: n I I = U /R gdzie R rezystancja pomiędzy kontaktami i Ponieważ prąd płynie jedynie w wąskiej cienkiej warstwie, rezystancja R będzie określona przez wymiary tej warstwy i jej rezystywność, a w szczególności będzie proporcjonalna do do jej grubości L i koncentracji elektronów n: R ~1/nL

Zasada działania struktury MI Jeżeli ta struktura zostanie uzupełniona o dwie elektrody: umieszczoną na dolnej powierzchni i nazwaną body umieszczoną nad górną powierzchnią i nazwaną gate, to odpowiada to wprowadzeniu nowego elementu. n + - Te nowe elektrody wprowadzają kondensator płaski C z elektrodą jako górną okładką i elektrodą, która łącznie ze strukturą półprzewodnikową, jest dolną okładką. ą one oddzielone przerwą powietrzną d spełniającą rolę dielektryka. Jeżeli przerwa powietrzna d jest mniejsza, kondensator gromadzi na okładce większy ładunek Q przy tym samym napięciu U.

Zasada działania struktury MI Jeżeli napięcie U > 0 jest przyłożone do kondensatora C, na każdej z jego okładek zgromadzi się ten sam ładunek Q, odpowiednio, dodatni na elektrodzie i ujemny na górnej powierzchni struktury półprzewodnikowej. n + + + + + + + + + + + - Q = U C W warstwie przewodzącej prąd koncentracja elektronów rosnie prowadząc do zmniejszenia się rezystancji R, czemu towarzyszy wzrost prądu I przy niezmienionej wartości napięcia U. W całej strukturze półprzewodnikowej występują warunki równowagi termodynamicznej - t.j. przy wzroście koncentracji elektronów w każdym jej punkcie jest spełniony warunek n 0 p 0 =n i 2

Zasada działania struktury MI Jeżeli napięcie U > 0 jest przyłożone do kondensatora C, na każdej z jego okładek zgromadzi się ten sam ładunek Q, odpowiednio, dodatni na elektrodzie i ujemny na górnej powierzchni struktury półprzewodnikowej. n + + + + + + + + + + + Q = U C Materiał dielektryczny W warstwie przewodzącej prąd koncentracja elektronów rosnie prowadząc do zmniejszenia się rezystancji R, czemu towarzyszy wzrost prądu I przy niezmienionej wartości napięcia U. W całej strukturze półprzewodnikowej występują warunki równowagi termodynamicznej - t.j. przy wzroście koncentracji elektronów w każdym jej punkcie jest spełniony warunek n 0 p 0 =n i 2 -

Tranzystory MOFET przegląd tranzystor MO może być z kanałem typu n lub p n + n + tranzystory MO z kanałem n są wytwarzane w podłożu p, jak na rysunku p n tranzystory MO z kanałem n posiadają dwie wyspy n +, odpowiednio, źródła i drenu, które są oddzielone przez obszar przeznaczony dla kanału n + n + kanał może być wbudowany (górny rysunek) lub zaindukowany (dolny rysunek) p

Tranzystory MOFET przegląd p + p + PMO n + n + n NMO p Układ scalony podłoże Tranzystor MO

Tranzystory MOFET przegląd Przyrządy lateralne prąd płynie lateralnie, a wszystkie kontakty (bramki, źródła, drenu) są na górnej powierzchni struktury półprzewodnikowej podstawowe zastosowania: układy scalone i przyrządy mocy dla zastosowań w obwodach małej mocy Przyrządy wertykalne prąd płynie wertykalnie, kontakty źródła i bramki są na górnej powierzchni struktury półprzewodnikowej, a kontakt drenu na dolnej podstawowe zastosowania: przyrządy mocy dla zastosowań w obwodach średniej i dużej mocy

Tranzystory MOFET przegląd W układach scalonych podłoże Tranzystor MO Przyrządy dyskretne + + lateralny wertykalny

Tranzystor MOFET kanał wbudowany n p + p p + CR Kanał wbudowany wprowadza ścieżkę dla przepływu prądu pomiędzy źródłem i drenem, jak również dodatkowe złącze p-n oraz jego pojemność złączową. Podobnie jak JFET, jest to tranzystor normalnie załączony, którego kanał jest modulowany przez obszar CR wstecznie spolaryzowanego złącza. Tranzystory normalnie załaczone sa nazywane tranzystorami z kanałem zubażanym C g C j

Tranzystor MOFET kanał zaindukowany p + p + C g n Nie ma wbudowanej ścieżki dla przepływu prądu pomiędzy źródłem i drenem, a połączenie żródło-dren jest utworzone przez dwie połączone anty-równoległe diody. Kanał może być utworzony przez zjawiska mające miejsce bezpośrednio pod elektrodą bramki.

Tranzystor MOFET kanał zaindukowany Idealna warstwa dielektryczna w półprzewodniku nie ma ładunku p + p + Q C = 0 n U C = 0 Idealny proces osadzania warstwy dielektrycznej na idealnej strukturze półprzewodnikowej. Nie ma jonów wbudowanych w warstwę dielektryczną lub związanych ze stanami powierzchniowymi w półprzewodniku. Nie ma wbudowanego ładunku ani polaryzacji na kondensatorze bramka-podłoże.

Tranzystor MOFET kanał zaindukowany Technologia rzeczywistej warstwy dielektrycznej warstwa akumulacyjna w półprzewodniku n p + p + + + + _ Q C 0 U C > 0 W warstwie dielektrycznej występuje ładunek uwięzionych jonów dodatnich. Jest on skompensowany przez ujemny ładunek dziur w cienkiej warstwie poniżej dielektryka, która jest nazywana warstwą akumulacyjną. Polaryzacja pojemności bramka-podłoże odpowiada ładunkowi Q C. Jest to tranzystor normalnie wyłączony z kanałem wzbogacanym

Tranzystor MOFET kanał zaindukowany Technologia rzeczywistej warstwy dielektrycznej warstwa inwersyjna w półprzewodniku n p + p + _ + + + Q C 0 U C > 0 W warstwie dielektrycznej występuje ładunek uwięzionych jonów ujemnych. Jest on skompensowany przez dodatni ładunek dziur w cienkiej warstwie poniżej dielektryka. Jeżeli w tej warstwie p 0 >n 0, staje się ona warstwą typu p nazywaną warstwą inwersyjną, łączącą obie p-wyspy. Polaryzacja pojemności bramka-podłoże odpowiada ładunkowi Q C. Jest to tranzystor normalnie załączony z kanałem zubażanym

Tranzystor MOFET kanał zaindukowany Tranzystor z kanałem wzbogacanym I p + p + n U T U U = 0 przy powierzchni występuje warstwa akumulacyjna, powierzchniowa koncentracja elektronów większa niż objętościowa prąd nie płynie U = 0 U małe I = 0

Tranzystor MOFET kanał zaindukowany Tranzystor z kanałem wzbogacanym I p + p + n U T U U = U T (napięcie progowe) stan samoistny przy powierzchni (n 0 =p 0 ), nie ma prądu drenu U = U T U małe I = 0

Tranzystor MOFET kanał zaindukowany Tranzystor z kanałem wzbogacanym I p + p + n U T U U > U T przy powierzchni występuje warstwa inwersyjna typu p tworząca kanał typu p łączący wysepki źródła i drenu prąd drenu płynie U > U T U małe I > 0

Tranzystory MOFET charakterystyki PMO Tranzystor z kanałem wzbogacanym NMO I I U = U T U T U U Charakterystyka przejściowa Rodzina charakterystyk wyjściowych

Tranzystory MOFET charakterystyki PMO Tranzystor z kanałem zubażanym NMO I I U = 0 U p U U Charakterystyka przejściowa Rodzina charakterystyk wyjściowych

Tranzystory MOFET charakterystyki PMO Tranzystor z kanałem zubażanym NMO I I U = 0 U p U U Charakterystyka przejściowa Rodzina charakterystyk wyjściowych

Podstawowe informacje Układy scalone - przegląd Układ scalony - przyrząd półprzewodnikowy zawierający w jednej strukturze półprzewodnikowej cały obwód elektryczny z: przyrządami półprzewodnikowymi (diody, tranzystory) elementami biernymi (rezystory, kondensatory) połączenia międzyelementowe (tzw. layout z Al lub Cu) 1958 - pierwszy układ scalony w ell Lab. (Kilby)

Podstawowe podziały Układy scalone - przegląd ipolarne - podstawowy element tranzystor bipolarny Unipolarne - podstawowy element tranzystor polowy MO Analogowe - sygnały wejściowe i wyjściowe ciągłe Cyfrowe - sygnały wejściowe i wyjściowe dyskretne (logiczne 0 i 1 )

Podstawowe podziały Technologie ipolarne: Układy scalone - przegląd TTL - Transistor-Transistor Logic ECL - Emiter Coupled Logic I 2 L - Integrated Injection Logic Technologie Unipolarne: NMO - tylko tranzystory z kanałem typu n PMO - tylko tranzystory z kanałem typu p PMO CMO - Complementary MO, oba typy

IC - struktury unipolarne Inwerter w technologii NMO E C R L U U WE U WY U T L U wy U U wy Charakterystyka przejściowa C L T U we U we U T(T) zwykle: U =U C L - pojemność obciążenia (kolejne bramki oraz doprowadzenia) la logicznego W wy = 0 płynie stały prąd obciążenia

IC - struktury unipolarne Kryzys energetyczny technologii NMO U U T L U wy? T C L U we zwykle: U =U

IC - struktury unipolarne Inwerter w technologii CMO E C R L U WE U WY U T L I Charakterystyka prądowa U we U wy C L T U we U Tn U inv U -U Tp Prąd płynie tylko przy przełączaniu

IC - struktury unipolarne Inwerter w technologii CMO E C R L U WE U WY warstwa p - podłoże p + n-well p + n + Poli-i tlenek podbramkowy tlenek izolacyjny I tlenek izolacyjny II metalizacja I metalizacja II pasywacja

Poziomy metalizacji IC - struktury unipolarne Ilość warstw 12 Pitch (wymiar charakterystyczny) 50 nm ęstość połączeń metal1 + pośrednie 4 km/cm 2 Problemy: - wydzielanie ciepła - opóźnienia duże RC - zakłócenia (crosstalk)

IC - struktury unipolarne Poziomy metalizacji - rozwój Cu zamiast Al ρ Cu =1.7μΩcm ρ Al =2.7μΩcm warstwa barierowe - potrzebna Low-κ dielektryki io 2 3,82 io 2 :C 3 io 2 :porowaty < 2 Teflon 1,9