PUAV Wykład 4
Tranzystory bipolarne w układach CMOS Tranzystor nmos Tranzystor pmos M1 (Al) M2 (Al) M1 (Al) M1 (Al) Tlenek polowy S Bramka poli typu n Tlenek bramkowy D Tlenek polowy Podłoże typu p D Bramka poli typu n Tlenek bramkowy Wyspa typu n S Tlenek polowy
Tranzystory bipolarne w układach CMOS Tranzystor nmos Tranzystor pmos M1 (Al) M2 (Al) M1 (Al) M1 (Al) Tlenek polowy S Bramka poli typu n Tlenek bramkowy D Tlenek polowy Podłoże typu p D Bramka poli typu n Tlenek bramkowy Wyspa typu n S Tlenek polowy Tranzystor npn
Tranzystory bipolarne w układach CMOS Tranzystor nmos Tranzystor pmos M1 (Al) M2 (Al) M1 (Al) M1 (Al) Tlenek polowy S Bramka poli typu n Tlenek bramkowy D Tlenek polowy Podłoże typu p D Bramka poli typu n Tlenek bramkowy Wyspa typu n S Tlenek polowy Tranzystor npn Tranzystor pnp
Tranzystory bipolarne w układach CMOS Tranzystor nmos Tranzystor pmos M1 (Al) M2 (Al) M1 (Al) M1 (Al) Tlenek polowy S Bramka poli typu n Tlenek bramkowy D Tlenek polowy Podłoże typu p D Bramka poli typu n Tlenek bramkowy Wyspa typu n S Tlenek polowy Tranzystor npn Struktura npnp Tranzystor pnp
Tranzystory bipolarne w układach CMOS Tranzystor nmos Tranzystor pmos M1 (Al) M2 (Al) M1 (Al) M1 (Al) Tlenek polowy S Bramka poli typu n Tlenek bramkowy D Tlenek polowy Podłoże typu p D Bramka poli typu n Tlenek bramkowy Wyspa typu n S Tlenek polowy Tranzystor npn Struktura npnp Tranzystor pnp Tranzystory pnp podłożowe
Tranzystory bipolarne w układach CMOS Tranzystor nmos Tranzystor pmos M1 (Al) M2 (Al) M1 (Al) M1 (Al) Tlenek polowy S Bramka poli typu n Tlenek bramkowy D Tlenek polowy Podłoże typu p D Bramka poli typu n Tlenek bramkowy Wyspa typu n S Tlenek polowy Tranzystor npn Struktura npnp Tranzystor pnp Tranzystory pnp podłożowe Elementy pasożytnicze
Tranzystory bipolarne w układach CMOS Tranzystor nmos Tranzystor pmos M1 (Al) M2 (Al) M1 (Al) M1 (Al) Tlenek polowy S Bramka poli typu n Tlenek bramkowy D Tlenek polowy Podłoże typu p D Bramka poli typu n Tlenek bramkowy Wyspa typu n S Tlenek polowy Tranzystor npn Struktura npnp Tranzystor pnp Tranzystory pnp podłożowe Elementy pasożytnicze Te tranzystory można wykorzystać
Tranzystory bipolarne w układach CMOS Tranzystor nmos Tranzystor pmos M1 (Cu) M2 (Cu) M3 (Cu) M1 (Cu) M1 (Cu) S Poli typu n D D Poli typu p S STI Wyspa typu p Wyspa typu n Warstwa epitaksjalna typu n- STI Podłoże typu p W technologiach STI tranzystory pnp podłożowe możliwe do wykonania przy odpowiednio głębokich rowkach STI W technologii FDSOI także można wykonać tranzystory pnp podłożowe w obszarach, z których usunięto tlenek (normalnie izolujący kanał od podłoża)
Tranzystory bipolarne w układach CMOS Tranzystor nmos Tranzystor pmos M2 (Cu) M3 (Cu) M1 (Cu) B S Metal D D Metal S B STI Wyspa typu p Wyspa typu n STI Podłoże W technologii FDSOI także można wykonać tranzystory pnp podłożowe w obszarach, z których usunięto tlenek (normalnie izolujący kanał od podłoża)
Tranzystory bipolarne w układach CMOS Tranzystor nmos Tranzystor pmos M2 (Cu) M3 (Cu) M1 (Cu) B S Metal D D Metal S B STI Wyspa typu p Wyspa typu n STI Podłoże W technologii FDSOI także można wykonać tranzystory pnp podłożowe w obszarach, z których usunięto tlenek (normalnie izolujący kanał od podłoża)
Podłożowy tranzystor bipolarny Przykład topografii
Podłożowy tranzystor bipolarny Przykład topografii Podłoże p
Podłożowy tranzystor bipolarny Przykład topografii Wyspa n Podłoże p
Podłożowy tranzystor bipolarny Przykład topografii Wyspa n Obszar p+ Podłoże p
Podłożowy tranzystor bipolarny Przykład topografii Wyspa n Obszar p+ Kontakty Podłoże p
Podłożowy tranzystor bipolarny Przykład topografii Wyspa n Obszar p+ Kolektor Kontakty Podłoże p
Podłożowy tranzystor bipolarny Przykład topografii Wyspa n Baza Obszar p+ Kolektor Kontakty Podłoże p
Podłożowy tranzystor bipolarny Przykład topografii Wyspa n Baza Obszar p+ Kontakty Emiter Kolektor Podłoże p
Podłożowy tranzystor bipolarny Przykład topografii Wyspa n Baza Obszar p+ Kontakty Emiter Kolektor Podłoże p Kolektor zawsze połączony elektrycznie z podłożem!
Tranzystory bipolarne Charakterystyki IC(VBE), IB(VBE) Warunki polaryzacji normalnej: VCB 0, VBE>0, VBE>>kT/q
Tranzystory bipolarne Charakterystyki IC(VBE), IB(VBE) Warunki polaryzacji normalnej: VCB 0, VBE>0, VBE>>kT/q Przy takich założeniach równania Ebersa-Molla można uprościć:
Tranzystory bipolarne Charakterystyki IC(VBE), IB(VBE) Warunki polaryzacji normalnej: VCB 0, VBE>0, VBE>>kT/q Przy takich założeniach równania Ebersa-Molla można uprościć: I C = I ES0 exp qv BE kt ; I ES0 = J ES0 A E ; J ES0 1 w Bel AE: powierzchnia złącza emiter-baza wbel: elektryczna grubość bazy, zależna od napięcia VCB (efekt Early ego)
Tranzystory bipolarne Charakterystyki IC(VBE), IB(VBE) Warunki polaryzacji normalnej: VCB 0, VBE>0, VBE>>kT/q Przy takich założeniach równania Ebersa-Molla można uprościć: I C = I ES0 exp qv BE kt ; I ES0 = J ES0 A E ; J ES0 1 w Bel AE: powierzchnia złącza emiter-baza wbel: elektryczna grubość bazy, zależna od napięcia VCB (efekt Early ego) I B I C h FE hfe: stałoprądowy współczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory bipolarne Charakterystyki IC(VBE), IB(VBE) IC (A) A abs(i(vcc)) (ampl, ampl) 0.1 abs(i(vbb)) 0.01 10^-3 IC 10^-4 IB 10^-5 10^-6 10^-7 10^-8 10^-9 10^-10 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 voltage sweep V VBE (V)
Tranzystory bipolarne Charakterystyki IC(VBE), IB(VBE) IC (A) A abs(i(vcc)) (ampl, ampl) 0.1 abs(i(vbb)) 0.01 I C = I ES0 exp qv BE kt 10^-3 10^-4 IC IB 10^-5 10^-6 10^-7 10^-8 10^-9 10^-10 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 voltage sweep V VBE (V)
Tranzystory bipolarne Charakterystyki IC(VBE), IB(VBE) IC (A) A abs(i(vcc)) (ampl, ampl) 0.1 abs(i(vbb)) 0.01 I C = I ES0 exp qv BE kt 10^-3 10^-4 10^-5 IC IB Zakres dużych gęstości prądu 10^-6 10^-7 10^-8 10^-9 10^-10 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 voltage sweep V VBE (V)
Tranzystory bipolarne Charakterystyki IC(VBE), IB(VBE) IC (A) A abs(i(vcc)) (ampl, ampl) 0.1 abs(i(vbb)) 0.01 I C = I ES0 exp qv BE kt 10^-3 10^-4 10^-5 IC IB Zakres dużych gęstości prądu 10^-6 10^-7 Rekombinacja w złączu EB 10^-8 10^-9 10^-10 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 voltage sweep V VBE (V)
Tranzystory bipolarne Charakterystyki IC(VBE), IB(VBE) IC (A) A abs(i(vcc)) (ampl, ampl) 0.1 abs(i(vbb)) 0.01 I C = I ES0 exp qv BE kt 10^-3 10^-4 10^-5 IC IB Zakres dużych gęstości prądu 10^-6 10^-7 Rekombinacja w złączu EB 10^-8 10^-9 10^-10 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 voltage sweep V VBE (V) Zakres (prawie) stałej wartości hfe
Tranzystory bipolarne Charakterystyki IC(VBE), IB(VBE) Użyteczny zakres prądów i napięć IC (A) A abs(i(vcc)) (ampl, ampl) 0.1 0.01 abs(i(vbb)) I C = I ES0 exp qv BE kt 10^-3 10^-4 10^-5 IC IB Zakres dużych gęstości prądu 10^-6 10^-7 Rekombinacja w złączu EB 10^-8 10^-9 10^-10 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 voltage sweep V VBE (V) Zakres (prawie) stałej wartości hfe
Tranzystory bipolarne Charakterystyka IC(VCE) ua -i(vcc) 600.0 550.0 500.0 450.0 400.0 350.0 300.0 250.0 IB 200.0 150.0 100.0 50.0 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 voltage sweep V
Tranzystory bipolarne Charakterystyka IC(VCE) ua -i(vcc) 600.0 Ten obszar nazywany jest obszarem nasycenia! 550.0 500.0 450.0 400.0 350.0 300.0 250.0 IB 200.0 150.0 100.0 50.0 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 voltage sweep V
Tranzystory bipolarne Charakterystyka IC(VCE) ua -i(vcc) 600.0 Ten obszar nazywany jest obszarem nasycenia! 550.0 500.0 450.0 400.0 350.0 300.0 250.0 IB 200.0 150.0 100.0 50.0 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 voltage sweep V Nachylenie charakterystyk jest wywołane efektem Early ego Napięcie Early ego VA: punkt przecięcia stycznych do charakterystyk z osią napięć
Tranzystory bipolarne Parametry małosygnałowe (dla układu wspólnego emitera)
Tranzystory bipolarne Parametry małosygnałowe (dla układu wspólnego emitera) Transkonduktancja: g m = I C = qi C V BE kt
Tranzystory bipolarne Parametry małosygnałowe (dla układu wspólnego emitera) Transkonduktancja: g m = I C = qi C V BE kt Współczynnik wzmocnienia prądowego: I C I B = β h FE
Tranzystory bipolarne Parametry małosygnałowe (dla układu wspólnego emitera) Transkonduktancja: g m = I C = qi C V BE kt I Współczynnik wzmocnienia prądowego: C = β h FE I B (przybliżenie β hfe ma sens w zakresie, w którym hfe ma w przybliżeniu stałą wartość)
Tranzystory bipolarne Parametry małosygnałowe (dla układu wspólnego emitera) Transkonduktancja: g m = I C = qi C V BE kt I Współczynnik wzmocnienia prądowego: C = β h FE I B (przybliżenie β hfe ma sens w zakresie, w którym hfe ma w przybliżeniu stałą wartość) Konduktancja wejściowa: g be = I B V BE = g m β
Tranzystory bipolarne Parametry małosygnałowe (dla układu wspólnego emitera) Transkonduktancja: g m = I C = qi C V BE kt I Współczynnik wzmocnienia prądowego: C = β h FE I B (przybliżenie β hfe ma sens w zakresie, w którym hfe ma w przybliżeniu stałą wartość) Konduktancja wejściowa: g be = I B V BE = g m β Konduktancja wyjściowa: g ce = I C V A
Tranzystory bipolarne Zależności temperaturowe A (ampl, (ampl) ampl) 0.1 abs(i(vcc)) 0.01 10^-3 10^-4 T = 125 C 10^-5 T = 27 C 10^-6 200 mv 10^-7 10^-8 0.30 300.0 0.40 400.0 0.50 500.0 0.60 600.0 0.70 700.0 0.80 800.0 0.90 900.0 1000.0 1.00 voltage sweep VmV
Tranzystory bipolarne Zależności temperaturowe A (ampl, (ampl) ampl) 0.1 abs(i(vcc)) 0.01 10^-3 10^-4 T = 125 C 10^-5 T = 27 C 10^-6 200 mv 10^-7 10^-8 0.30 300.0 0.40 400.0 0.50 500.0 0.60 600.0 0.70 700.0 0.80 800.0 0.90 900.0 1000.0 1.00 voltage sweep VmV Przy niezależnych od temperatury napięciach polaryzujących prąd kolektora rośnie z temperaturą w przybliżeniu wykładniczo
Tranzystory bipolarne Zależności temperaturowe A (ampl, (ampl) ampl) 0.1 abs(i(vcc)) 0.01 10^-3 10^-4 T = 125 C 10^-5 T = 27 C 10^-6 200 mv 10^-7 10^-8 0.30 300.0 0.40 400.0 0.50 500.0 0.60 600.0 0.70 700.0 0.80 800.0 0.90 900.0 1000.0 1.00 voltage sweep VmV Przy niezależnych od temperatury napięciach polaryzujących prąd kolektora rośnie z temperaturą w przybliżeniu wykładniczo Przy niezależnym od temperatury prądzie kolektora napięcie VBE maleje o około 2 mv/c
Tranzystory bipolarne Stabilność temperaturowa
Tranzystory bipolarne Stabilność temperaturowa Wykładniczy wzrost prądu kolektora z temperaturą powoduje dodatnie sprzężenie zwrotne między tym prądem, a temperaturą: wzrost prądu -> wzrost wydzielanej mocy -> wzrost temperatury -> dalszy wzrost prądu. W skrajnym przypadku może to spowodować zniszczenie tranzystora.
Tranzystory bipolarne Stabilność temperaturowa Wykładniczy wzrost prądu kolektora z temperaturą powoduje dodatnie sprzężenie zwrotne między tym prądem, a temperaturą: wzrost prądu -> wzrost wydzielanej mocy -> wzrost temperatury -> dalszy wzrost prądu. W skrajnym przypadku może to spowodować zniszczenie tranzystora. Stabilność temperaturowa może być osiągnięta środkami układowymi, np. przez wprowadzenie ujemnego sprzężenia zwrotnego
Tranzystory bipolarne Stabilność temperaturowa Wykładniczy wzrost prądu kolektora z temperaturą powoduje dodatnie sprzężenie zwrotne między tym prądem, a temperaturą: wzrost prądu -> wzrost wydzielanej mocy -> wzrost temperatury -> dalszy wzrost prądu. W skrajnym przypadku może to spowodować zniszczenie tranzystora. Stabilność temperaturowa może być osiągnięta środkami układowymi, np. przez wprowadzenie ujemnego sprzężenia zwrotnego V VBE R Gdy wzrasta prąd kolektora, zwiększa się spadek napięcia na rezystorze, a więc napięcie VBE polaryzujące tranzystor maleje
Tranzystory bipolarne Rozrzuty produkcyjne Napięciem niezrównoważenia pary tranzystorów ΔVBE nazywamy różnicę napięć VBE, jaka jest konieczna do tego, by uzyskać jednakowe wartości prądu kolektora obu tranzystorów przy jednakowych wartościach napięcia VCE IC1 VCE1 IC2 VCE2 IC1 = IC2 VCE1 =VCE2 VBE1 VBE2 ΔVBE =VBE1 -VBE2
Tranzystory bipolarne Rozrzuty produkcyjne Napięciem niezrównoważenia pary tranzystorów ΔVBE nazywamy różnicę napięć VBE, jaka jest konieczna do tego, by uzyskać jednakowe wartości prądu kolektora obu tranzystorów przy jednakowych wartościach napięcia VCE IC1 VCE1 IC2 VCE2 IC1 = IC2 VCE1 =VCE2 VBE1 VBE2 ΔVBE =VBE1 -VBE2 Niezrównoważenie wynikające z niejednakowych powierzchni złącz emiterbaza (są i inne przyczyny): ΔV BE = kt q ΔA E A E
Tranzystory bipolarne Porównanie z tranzystorami MOS
Tranzystory bipolarne Porównanie z tranzystorami MOS g mbip g mmos = qi C kt 2I D V GS V T = I C I D V GS V T 2 kt q 1. Porównanie transkonduktancji: dla tych samych wartości prądu kolektora i prądu drenu transkonduktancja tranzystora bipolarnego jest znacznie większa
Tranzystory bipolarne Porównanie z tranzystorami MOS g mbip g mmos = qi C kt 2I D V GS V T = I C I D V GS V T 2 kt q 1. Porównanie transkonduktancji: dla tych samych wartości prądu kolektora i prądu drenu transkonduktancja tranzystora bipolarnego jest znacznie większa ΔV GS = V GS V TH 2 ΔL L ΔV BE = kt q ΔA E A E 2. Porównanie rozrzutów: rozrzuty produkcyjne dla tranzystorów bipolarnych są (przy porównywalnych technologiach) mniejsze, niż dla tranzystorów MOS
Tranzystory bipolarne Porównanie z tranzystorami MOS
Tranzystory bipolarne Porównanie z tranzystorami MOS 3. Przy porównywalnych wartościach napięć polaryzujących i powierzchni zajmowanej przez tranzystor prąd kolektora w tranzystorze bipolarnym jest znacznie większy, niż prąd drenu w tranzystorze MOS
Tranzystory bipolarne Porównanie z tranzystorami MOS 3. Przy porównywalnych wartościach napięć polaryzujących i powierzchni zajmowanej przez tranzystor prąd kolektora w tranzystorze bipolarnym jest znacznie większy, niż prąd drenu w tranzystorze MOS 4. Tranzystory bipolarne są przydatne do pracy przy znacznie wyższych częstotliwościach, niż tranzystory MOS (MOS: do kilkunastu GHz, bipolarne: do kilkuset GHz)
Tranzystory bipolarne Porównanie z tranzystorami MOS 3. Przy porównywalnych wartościach napięć polaryzujących i powierzchni zajmowanej przez tranzystor prąd kolektora w tranzystorze bipolarnym jest znacznie większy, niż prąd drenu w tranzystorze MOS 4. Tranzystory bipolarne są przydatne do pracy przy znacznie wyższych częstotliwościach, niż tranzystory MOS (MOS: do kilkunastu GHz, bipolarne: do kilkuset GHz) 5. Tranzystory bipolarne mają mniejsze szumy typu 1/f
Tranzystory bipolarne Porównanie z tranzystorami MOS 3. Przy porównywalnych wartościach napięć polaryzujących i powierzchni zajmowanej przez tranzystor prąd kolektora w tranzystorze bipolarnym jest znacznie większy, niż prąd drenu w tranzystorze MOS 4. Tranzystory bipolarne są przydatne do pracy przy znacznie wyższych częstotliwościach, niż tranzystory MOS (MOS: do kilkunastu GHz, bipolarne: do kilkuset GHz) 5. Tranzystory bipolarne mają mniejsze szumy typu 1/f (ale dla wykorzystania tej właściwości wymagane jest optymalne dopasowanie na wejściu i dobór punktu pracy)
Tranzystory bipolarne Porównanie z tranzystorami MOS 1. Tranzystory MOS mają bardzo dużą rezystancję wejściową (nieskończenie wielką dla prądu stałego... )
Tranzystory bipolarne Porównanie z tranzystorami MOS 1. Tranzystory MOS mają bardzo dużą rezystancję wejściową (nieskończenie wielką dla prądu stałego... ale nie zawsze! )
Tranzystory bipolarne Porównanie z tranzystorami MOS 1. Tranzystory MOS mają bardzo dużą rezystancję wejściową (nieskończenie wielką dla prądu stałego... ale nie zawsze! ) 2. Układy z tranzystorami MOS są na ogół bardziej energooszczędne
Tranzystory bipolarne Porównanie z tranzystorami MOS 1. Tranzystory MOS mają bardzo dużą rezystancję wejściową (nieskończenie wielką dla prądu stałego... ale nie zawsze! ) 2. Układy z tranzystorami MOS są na ogół bardziej energooszczędne 3. W tranzystorach MOS nie występuje problem braku stabilności temperaturowej
Tranzystory bipolarne Porównanie z tranzystorami MOS 1. Tranzystory MOS mają bardzo dużą rezystancję wejściową (nieskończenie wielką dla prądu stałego... ale nie zawsze! ) 2. Układy z tranzystorami MOS są na ogół bardziej energooszczędne 3. W tranzystorach MOS nie występuje problem braku stabilności temperaturowej 4. Tranzystory MOS zajmują mniejszą powierzchnię od tranzystorów bipolarnych, więc układy na tranzystorach MOS są tańsze
Tranzystory bipolarne Porównanie z tranzystorami MOS 1. Tranzystory MOS mają bardzo dużą rezystancję wejściową (nieskończenie wielką dla prądu stałego... ale nie zawsze! ) 2. Układy z tranzystorami MOS są na ogół bardziej energooszczędne 3. W tranzystorach MOS nie występuje problem braku stabilności temperaturowej 4. Tranzystory MOS zajmują mniejszą powierzchnię od tranzystorów bipolarnych, więc układy na tranzystorach MOS są tańsze (...ale to nie dotyczy tranzystorów w stopniach dużej mocy)
Tranzystory bipolarne Porównanie z tranzystorami MOS 1. Tranzystory MOS mają bardzo dużą rezystancję wejściową (nieskończenie wielką dla prądu stałego... ale nie zawsze! ) 2. Układy z tranzystorami MOS są na ogół bardziej energooszczędne 3. W tranzystorach MOS nie występuje problem braku stabilności temperaturowej 4. Tranzystory MOS zajmują mniejszą powierzchnię od tranzystorów bipolarnych, więc układy na tranzystorach MOS są tańsze (...ale to nie dotyczy tranzystorów w stopniach dużej mocy) 5. Bloki analogowe z tranzystorami MOS można wykonywać wspólnie z blokami cyfrowymi -> układy typu system on chip
Tranzystory bipolarne Porównanie z tranzystorami MOS
Tranzystory bipolarne Porównanie z tranzystorami MOS Ważne: tranzystory MOS można skalować, np. dla uzyskania dwa razy większego prądu drenu projektuje się tranzystor o dwa razy większej szerokości kanału. Podłożowych tranzystorów bipolarnych nie wolno skalować, należy stosować tranzystory o dokładnie takiej strukturze, jaką podaje producent, bo do niej pasuje model producenta. Zmiany kształtów czy wymiarów unieważniają ten model!
Tranzystory bipolarne Porównanie z tranzystorami MOS Ważne: tranzystory MOS można skalować, np. dla uzyskania dwa razy większego prądu drenu projektuje się tranzystor o dwa razy większej szerokości kanału. Podłożowych tranzystorów bipolarnych nie wolno skalować, należy stosować tranzystory o dokładnie takiej strukturze, jaką podaje producent, bo do niej pasuje model producenta. Zmiany kształtów czy wymiarów unieważniają ten model! Aby skalować powierzchnię emitera, stosuje się równoległe łączenie odpowiedniej liczby identycznych tranzystorów.
Diody Jako diody stosuje się prawie wyłącznie tranzystory bipolarne w połączeniu diodowym: kolektor zwarty z bazą
Diody Jako diody stosuje się prawie wyłącznie tranzystory bipolarne w połączeniu diodowym: kolektor zwarty z bazą IC+IB IC VCE =VBE Charakterystyka I(V) takiej diody jest praktycznie identyczna z charakterystyką IC(VBE) tranzystora, z którego została zrobiona
Diody Jako diody stosuje się prawie wyłącznie tranzystory bipolarne w połączeniu diodowym: kolektor zwarty z bazą IC+IB IC VCE =VBE Charakterystyka I(V) takiej diody jest praktycznie identyczna z charakterystyką IC(VBE) tranzystora, z którego została zrobiona ID VDS =VGS Przez analogię podobne połączenie tranzystora MOS jest nazywane połączeniem diodowym, chociaż charakterystyka I(V) nie jest taka sama, jak charakterystyka diody
Rezystory Pojęcie rezystancji warstwowej ( na kwadrat ) z y I d L I W x
Rezystory Pojęcie rezystancji warstwowej ( na kwadrat ) d I z W x y I L Rezystancja prostopadłościanu, którego konduktywność σ(z) zmienia się wzdłuż osi z, a nie jest funkcją x ani y, i przez który prąd płynie w kierunku równoległym do osi y, jest równa: R = L W d 0 1 σ ( z)dz
d I z W Rezystory Pojęcie rezystancji warstwowej ( na kwadrat ) x y I L Rezystancja prostopadłościanu, którego konduktywność σ(z) zmienia się wzdłuż osi z, a nie jest funkcją x ani y, i przez który prąd płynie w kierunku równoległym do osi y, jest równa: R = L W d 0 1 σ ( z)dz Dla L=W, czyli gdy w widoku od góry widzimy kwadrat, rezystancja nie zależy od długości i szerokości i wynosi
d I z W Rezystory Pojęcie rezystancji warstwowej ( na kwadrat ) x y I L Rezystancja prostopadłościanu, którego konduktywność σ(z) zmienia się wzdłuż osi z, a nie jest funkcją x ani y, i przez który prąd płynie w kierunku równoległym do osi y, jest równa: R = L W d 0 1 σ ( z)dz Dla L=W, czyli gdy w widoku od góry widzimy kwadrat, rezystancja nie zależy od długości i szerokości i wynosi R = d 0 1 σ ( z)dz = R S
d I z W Rezystory Pojęcie rezystancji warstwowej ( na kwadrat ) x y I L Rezystancja prostopadłościanu, którego konduktywność σ(z) zmienia się wzdłuż osi z, a nie jest funkcją x ani y, i przez który prąd płynie w kierunku równoległym do osi y, jest równa: R = L W d 0 1 σ ( z)dz Dla L=W, czyli gdy w widoku od góry widzimy kwadrat, rezystancja nie zależy od długości i szerokości i wynosi R = d 0 1 σ ( z)dz = R S Tak zdefiniowaną rezystancję nazywamy rezystancją warstwową RS
Rezystory Rezystory polikrzemowe W L W L W L W 0.5 W L
Rezystory Rezystory polikrzemowe Rezystor polikrzemowy: ścieżka polikrzemu na warstwie dielektrycznej, na końcach kontakty W L R = R S L W W L W L W 0.5 W L
Rezystory Rezystory polikrzemowe Rezystor polikrzemowy: ścieżka polikrzemu na warstwie dielektrycznej, na końcach kontakty W L R = R S L W W L W L W 0.5 W L Przybliżone wartości W i L
W W L W L Rezystory Rezystory polikrzemowe Rezystor polikrzemowy: ścieżka polikrzemu na warstwie dielektrycznej, na końcach kontakty W L W 0.5 R = R S L W Rezystancja warstwowa polikrzemu typu n+: kilkadziesiąt Ω/. Rezystory polikrzemowe o dużych rezystancjach są praktycznie niewykonalne. L Przybliżone wartości W i L
L W W L W L Rezystory Rezystory polikrzemowe Rezystor polikrzemowy: ścieżka polikrzemu na warstwie dielektrycznej, na końcach kontakty Przybliżone wartości W i L W L W 0.5 R = R S L W Rezystancja warstwowa polikrzemu typu n+: kilkadziesiąt Ω/. Rezystory polikrzemowe o dużych rezystancjach są praktycznie niewykonalne. Istnieją wersje technologii CMOS z drugim, niedomieszkowanym polikrzemem, o rezystancji warstwowej rzędu k Ω
Rezystory Inne rezystory Rezystor można utworzyć z dowolnego w zasadzie obszaru przewodzącego
Rezystory Inne rezystory Rezystor można utworzyć z dowolnego w zasadzie obszaru przewodzącego Rezystor z obszaru domieszkowanego (źródło/dren) p M1 SiO2 n+ M1
Rezystory Inne rezystory Rezystor można utworzyć z dowolnego w zasadzie obszaru przewodzącego Rezystor z obszaru domieszkowanego (źródło/dren) p M1 SiO2 n+ M1 Rezystancja RS: rząd wielkości jak dla polikrzemu
Rezystory Inne rezystory Rezystor można utworzyć z dowolnego w zasadzie obszaru przewodzącego Rezystor z obszaru domieszkowanego (źródło/dren) p M1 SiO2 n+ M1 Rezystancja RS: rząd wielkości jak dla polikrzemu Konieczne zachowanie zaporowej polaryzacji względem podłoża
Rezystory Inne rezystory Rezystor można utworzyć z dowolnego w zasadzie obszaru przewodzącego Rezystor z obszaru domieszkowanego (źródło/dren) p M1 SiO2 n+ M1 Rezystancja RS: rząd wielkości jak dla polikrzemu Konieczne zachowanie zaporowej polaryzacji względem podłoża Nieliniowa charakterystyka: zmiany napięcia zmieniają głębokość wnikania warstwy zaporowej w obszar ścieżki rezystora
Rezystory Rezystancje warstwowe w nowszych technologiach Dla zmniejszenia pasożytniczych rezystancji w nowszych technologiach stosuje się pokrywanie warstwy polikrzemu oraz obszarów źródeł i drenów cienką warstwą metalu (tytanu, wolframu) (silicidation - tworzy się krzemek metalu, np. TiSi2)
Rezystory Rezystancje warstwowe w nowszych technologiach Dla zmniejszenia pasożytniczych rezystancji w nowszych technologiach stosuje się pokrywanie warstwy polikrzemu oraz obszarów źródeł i drenów cienką warstwą metalu (tytanu, wolframu) (silicidation - tworzy się krzemek metalu, np. TiSi2) Warstwa krzemku metalu Warstwa krzemku metalu M1 (Al) M2 (Al) M1 (Al) M1 (Al) Tlenek polowy S Bramka poli typu n Tlenek bramkowy D Tlenek polowy Podłoże typu p D Bramka poli typu n Tlenek bramkowy Wyspa typu n S Tlenek polowy
Rezystory Rezystancje warstwowe w nowszych technologiach Dla zmniejszenia pasożytniczych rezystancji w nowszych technologiach stosuje się pokrywanie warstwy polikrzemu oraz obszarów źródeł i drenów cienką warstwą metalu (tytanu, wolframu) (silicidation - tworzy się krzemek metalu, np. TiSi2) Warstwa krzemku metalu Warstwa krzemku metalu M1 (Al) M2 (Al) M1 (Al) M1 (Al) Tlenek polowy S Bramka poli typu n Tlenek bramkowy D Tlenek polowy Podłoże typu p D Bramka poli typu n Tlenek bramkowy Wyspa typu n S Tlenek polowy Takie warstwy mają rezystacje warstwowe rzędu kilku Ω/
Rezystory Właściwości temperaturowe i rozrzuty Rezystancja rezystorów z domieszkowanych obszarów półprzewodnika rośnie ze wzrostem tempeartury; współczynnik temperaturowy rezystancji jest w granicach 0.1... 0.5%/K. Im słabiej domieszkowany obszar, tym silniejsza zależność rezystancji od temperatury
Rezystory Właściwości temperaturowe i rozrzuty Rezystancja rezystorów z domieszkowanych obszarów półprzewodnika rośnie ze wzrostem tempeartury; współczynnik temperaturowy rezystancji jest w granicach 0.1... 0.5%/K. Im słabiej domieszkowany obszar, tym silniejsza zależność rezystancji od temperatury Rozrzuty rezystancji rezystorów: rozrzuty rozkładu domieszek -> prawo Pelgroma rozrzuty wymiarów W i L -> wpływ podobny jak w tranzystorze MOS rozrzuty rezystancji kontaktów (istotne przy małych rezystancjach)
Rezystory Właściwości temperaturowe i rozrzuty Rezystancja rezystorów z domieszkowanych obszarów półprzewodnika rośnie ze wzrostem tempeartury; współczynnik temperaturowy rezystancji jest w granicach 0.1... 0.5%/K. Im słabiej domieszkowany obszar, tym silniejsza zależność rezystancji od temperatury Rozrzuty rezystancji rezystorów: rozrzuty rozkładu domieszek -> prawo Pelgroma rozrzuty wymiarów W i L -> wpływ podobny jak w tranzystorze MOS rozrzuty rezystancji kontaktów (istotne przy małych rezystancjach) Minimalizacja rozrzutów lokalnych par rezystorów: duże wymiary dokładnie jednakowe kształty, ta sama orientacja wiele równoległych kontaktów ew. dummy shapes - redukcja wpływu efektów bliskości D R R R R D
Pojemności
Pojemności Pojemności złącz pn - nieliniowe, wymagana polaryzacja zaporowa, rzadko wykorzystywane
Pojemności Pojemności złącz pn - nieliniowe, wymagana polaryzacja zaporowa, rzadko wykorzystywane Pojemności metal-dielektryk-półprzewodnik - pojemności bramka-kanał tranzystorów MOS; dren zwarty ze źródłem, wymagane napięcie bramki powyżej napięcia progowego
Pojemności Pojemności złącz pn - nieliniowe, wymagana polaryzacja zaporowa, rzadko wykorzystywane Pojemności metal-dielektryk-półprzewodnik - pojemności bramka-kanał tranzystorów MOS; dren zwarty ze źródłem, wymagane napięcie bramki powyżej napięcia progowego Pojemności metal-dielektryk-metal - między dwoma warstwami metalu; najlepsza dokładność.
Pojemności Pojemności złącz pn - nieliniowe, wymagana polaryzacja zaporowa, rzadko wykorzystywane Pojemności metal-dielektryk-półprzewodnik - pojemności bramka-kanał tranzystorów MOS; dren zwarty ze źródłem, wymagane napięcie bramki powyżej napięcia progowego Pojemności metal-dielektryk-metal - między dwoma warstwami metalu; najlepsza dokładność. Minimalizacja rozrzutów lokalnych (dla par lub grup kondensatorów): zachowanie nie tylko tych samych stosunków powierzchni, ale i obwodów ścinanie narożników
Pojemności Pojemności złącz pn - nieliniowe, wymagana polaryzacja zaporowa, rzadko wykorzystywane Pojemności metal-dielektryk-półprzewodnik - pojemności bramka-kanał tranzystorów MOS; dren zwarty ze źródłem, wymagane napięcie bramki powyżej napięcia progowego Pojemności metal-dielektryk-metal - między dwoma warstwami metalu; najlepsza dokładność. Minimalizacja rozrzutów lokalnych (dla par lub grup kondensatorów): zachowanie nie tylko tych samych stosunków powierzchni, ale i obwodów ścinanie narożników Wszystkie pojemności bardzo małe (max. rzędu pikofaradów)
Indukcyjności Można wykonać indukcyjność w postaci spiralnej cewki na warstwie lub kilku warstwach metalu; indukcyjności bardzo małe (nh), przydatne tylko w zakresie częstotliwości powyżej 1 GHz
Indukcyjności Można wykonać indukcyjność w postaci spiralnej cewki na warstwie lub kilku warstwach metalu; indukcyjności bardzo małe (nh), przydatne tylko w zakresie częstotliwości powyżej 1 GHz Małe dobroci (straty na prądy indukowane w podłożu).
Indukcyjności Można wykonać indukcyjność w postaci spiralnej cewki na warstwie lub kilku warstwach metalu; indukcyjności bardzo małe (nh), przydatne tylko w zakresie częstotliwości powyżej 1 GHz Małe dobroci (straty na prądy indukowane w podłożu). Dla podniesienia dobroci wprowadza się złącza pn blokujące prądy indukowane przez cewkę