a térvezérelt tranzisztorok i
DESCRIPTION
A térvezérelt tranzisztorok I. Segédanyag a Villamosmérnöki Szak Elektronika I. tárgyához Belső használatra!. BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar Elektronikus Eszközök Tanszéke Székely Vladimír 2 001 március. A térvezérelt tranzisztorok FET = F ield E ffect T ransistor - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
A térvezérelt tranzisztorok I.A térvezérelt tranzisztorok I.
BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Székely Vladimír
2001 március
BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Székely Vladimír
2001 március
Segédanyag a Villamosmérnöki Szak Elektronika I. tárgyához
Belső használatra!
Segédanyag a Villamosmérnöki Szak Elektronika I. tárgyához
Belső használatra!
A térvezérelt tranzisztorokFET = Field Effect Transistor
A működési elv
A térvezérelt tranzisztorokFET = Field Effect Transistor
A működési elv
Keresztirányú elektromos
erőtér vezérel!
FET - a működési elvFET - a működési elv
JFET = junction FET
Többségi hordozós eszköz: unipoláris tranzisztor
Vezérlő teljesítmény 0
JFET = junction FET
Többségi hordozós eszköz: unipoláris tranzisztor
Vezérlő teljesítmény 0
Legfontosabb paraméter:
U0 elzáródási feszültség
Csatorna
MOSFET tranzisztorokMOSFET tranzisztorok
MOSFET = Metal-Oxide-Semiconductor FETMOSFET = Metal-Oxide-Semiconductor FET
Első alaptípus: kiürítéses (depletion mode)
Legfontosabb paraméter:
U0 elzáródási feszültség
Bulk
-
MOSFET tranzisztorokMOSFET tranzisztorok
Második alaptípus: növekményes (enhancement mode)
Legfontosabb paraméter:
VT küszöbfeszültség
Bulk
Ezt használjuk a leggyakrabban!Ezt használjuk a leggyakrabban!
+
A MOSFET tranzisztor elmélete
1. Felületi jelenségek
A MOSFET tranzisztor elmélete
1. Felületi jelenségek
kT
WWp vFexp~
i
aT
i
FiF n
NU
n
p
q
kT
q
WWlnln
Erős inverzió:
UF = 2 F
kT
WWnp Fii exp
A MOS struktúra potenciálviszony
ai
A MOS struktúra potenciálviszony
ai
MSFoxGB UUU
iSSSCG QQQQ
ox
ox
dC
0 oxG UCQ 0
SqNQ aSC
A MOS struktúra potenciálviszonyaiA MOS struktúra
potenciálviszonyai
MSFoxGB UUU
iSSSCG QQQQ
oxG UCQ 0
SqNQ aSC
FasFa
saSC UqNU
qNqNQ
22
SSFasox
SSSCGi
QUqNUC
QQQQ
20
SSFas
MSFGBi
QUqN
UUCQ
2
)(0
A MOS tranzisztor küszöbfeszültségeA MOS tranzisztor küszöbfeszültsége
SSFasMSFGBi QUqNUUCQ 2)(0
SBFF UU 2
SSSBFasMSSBFGBi QUqNUUCQ 22)2(0
0
iQGST UV
SBFasSS
MSFT UC
qN
C
QV
2
22
00
TGS
TGSi
VU
VUCQ
0
esetén
A MOS tranzisztor küszöbfeszültségeA MOS tranzisztor küszöbfeszültsége
SBFasSS
MSFT UC
qN
C
QV
2
22
00
0
2
C
qNP as
Bulk állandó:Bulk állandó:
0C
QSSMSFB
Flat-band potenciál:Flat-band potenciál:
Egy MOS struktúra adatai: Na = 41015 /cm3, a Si relatív dielektromos állandója 11,8, az oxidé 3,9, az oxid vastagsága dox = 0,03 m, MS = 0,2 V, QSS-t elhanyagoljuk. Számítsuk ki a Fermi potenciált, az oxid kapacitást, a bulk állandót és a küszöb-feszültséget USB = 0 V mellett!
PÉLDA
Vn
NU
i
aTF 335,0
10
104ln026,0ln
10
15
2238
12
0 /1100/101,1103
9,31086,8mmpFmF
dC
ox
ox
2/13
211912
331,0101,1
104106,17,111086,82VP
VVT 14,1335,02331,02,0335,02
0
2
C
qNP as
SBFasSS
MSFT UC
qN
C
QV
2
22
00
Az (ideális) Q-V görbe MOS szerkezeteken
Az (ideális) Q-V görbe MOS szerkezeteken
V
Q
“MOM” kapacitás:töltések a fémfelületeken
MOS kapacitás:oxidkapacitás éstértöltéskapacitássorosan
U
A C-V görbe (a Q-V görbe deriváltja) és mérése: adalékolás,
VT (Qss) adódik
A C-V görbe (a Q-V görbe deriváltja) és mérése: adalékolás,
VT (Qss) adódik
néhány Hz
MHz
néhány Hz MHz
S Sdox
A karakterisztika egyenlet
levezetése
A karakterisztika egyenlet
levezetéseU(0) = UGS , U(L) = UGD
U(0) = UGS , U(L) = UGDQi(U) = Qi(U(x))Qi(U) = Qi(U(x))
vWQI iD dx
dUEv
dx
dUWUQI iD )( dx
dx
dUQWdxI
L
i
L
D 00
A karakterisztika egyenlet
levezetése
A karakterisztika egyenlet
levezetéseU(0) = UGS , U(L) = UGD
U(0) = UGS , U(L) = UGD
dxdx
dUQWdxI
L
i
L
D 00
GD
GS
U
UiD dUUQWLI )(
GS
GD
GD
GS
U
UTT
U
UD VU
C
L
WdUVUC
L
WI 20
0 2
Ti VxUCQ )(0 220
2 TGDTGSD VUVUC
L
WI
A karakterisztika egyenlet
levezetése
A karakterisztika egyenlet
levezetése
220
2 TGDTGSD VUVUC
L
WI
)()(20
GDGSD UFUFC
L
WI
T
TT
VUha
VUhaVUUF
0
)()(
2
Minden működési tartományra!Minden működési tartományra!
DSGSGD UUU
DSGSD UUfI ,
A telítéses működésA telítéses működés
)()(20
GDGSD UFUFC
L
WI
T
TT
VUha
VUhaVUUF
0
)()(
2
Minden működési tartományra!Minden működési tartományra!
20
2 TGSD VUC
L
WI
Telítés: UGD < VT
vagy UGS-VT< UDS
Telítés: UGD < VT
vagy UGS-VT< UDS
Elektron-mikroszkópos felvétel
Elektron-mikroszkópos felvétel
Felvétel optikai mikroszkóppalFelvétel optikai mikroszkóppal
Gyakorlati kivitelGyakorlati kivitel
A MOS tranzisztor Fém gate elektródás kivitel
A korai MOS technika tranzisztora
Problémák: gate átlapolás, VT , kevés vezeték sík
A MOS tranzisztor Önillesztő, poli-Si gate technika
1. Aktív zóna vékonyoxid
2. Bújtatott kont. ablaknyitás
3. Poli-Si felvitel, maszkol
4. Aktív zónát nyit, n+
diffúzió
5. Szigetelő bevonat (PSG)
6. Kontaktus ablakok
7. Fémezés
1. Aktív zóna vékonyoxid
2. Bújtatott kont. ablaknyitás
3. Poli-Si felvitel, maszkol
4. Aktív zónát nyit, n+
diffúzió
5. Szigetelő bevonat (PSG)
6. Kontaktus ablakok
7. Fémezés
Önillesztés !
CSAT = AKTÍV and POLI
A MOS tranzisztor
Szubmikronos Szubmikronos MOS struktúraMOS struktúra
Vázlatrajz és elektron-mikroszkóppal készült metszeti kép
PÉLDA
Határozzuk meg a C0 = 1,110-3 F/m2 oxid kapacitású n-MOS tranzisztor áram állandóját! Az elektron mozgékonyságot 0,1 m2/Vs értékkel vegyük számításba!
Határozzuk meg a C0 = 1,110-3 F/m2 oxid kapacitású n-MOS tranzisztor áram állandóját! Az elektron mozgékonyságot 0,1 m2/Vs értékkel vegyük számításba!
2263
0 /55/10552
101,11,0
2VAVA
CK
20
2 TGSD VUC
L
WI
PÉLDA
Számítsuk ki, hogy mekkora az előbbi tranzisztor telítéses árama UGS = 5 V vezérlő feszültség mellett, ha VT = 1 V és a tranzisztor mérete W = 10 m, L = 0,8 m!
Számítsuk ki, hogy mekkora az előbbi tranzisztor telítéses árama UGS = 5 V vezérlő feszültség mellett, ha VT = 1 V és a tranzisztor mérete W = 10 m, L = 0,8 m!
mAAVUKL
WI TGSD 111011)15(1055
8,0
10 3262
MOS tranzisztor, másodlagos jelenségek
MOS tranzisztor, másodlagos jelenségek
A csatornarövidülésA csatornarövidülés
20
2 TGSD VUC
L
WI
MOS tranzisztor, másodlagos jelenségek
MOS tranzisztor, másodlagos jelenségek
A küszöb alatti (sub-threshold) áram
A küszöb alatti (sub-threshold) áram
T
TGSonD Un
VUII exp
MOS tranzisztor, másodlagos jelenségek
MOS tranzisztor, másodlagos jelenségek
A küszöbfeszültség függése a geometriától
A küszöbfeszültség függése a geometriától
Rövid csatorna: VT csökken
Keskeny csatorna: VT növekszik
A MOS tranzisztor kapacitásai
A MOS tranzisztor kapacitásai
),,( GBGDGSGG UUUfQ
),,( GBGDGSii UUUfQ
GS
Ggs U
QC
Bulk
A MOS tranzisztor jellemzőinek hőmérséklet függése
A MOS tranzisztor jellemzőinek hőmérséklet függése
20
2 TGSD VUC
L
WI
CdT
d o/006.0...003,01
CmVT
V oT /4...5,1
Teljesítmény MOS tranzisztorokTeljesítmény MOS tranzisztorokA DMOS (TMOS)
szerkezetA DMOS (TMOS)
szerkezet
A kiürítéses MOS tranzisztorA kiürítéses MOS tranzisztor
Eltolt küszöbfeszültségű növekményesEltolt küszöbfeszültségű növekményes
A növekményes és kiürítéses MOS tranzisztorok, VT beállítása
A növekményes és kiürítéses MOS tranzisztorok, VT beállítása
Küszöbfeszültség eltolása:
+Qss miatt VT negatív irányba tolódik,
NA- ionok implantálása a csatornába:
VT pozitív irányba tolódik.
Küszöbfeszültség eltolása:
+Qss miatt VT negatív irányba tolódik,
NA- ionok implantálása a csatornába:
VT pozitív irányba tolódik.
UGS
ID
VTp VTn VTp VTn