circuite integrate analogice celule fundamentale · circuite integrate analogice celule...
TRANSCRIPT
Circuite Integrate AnalogiceCelule fundamentale
Facultatea de Electronică Telecomunicații și
Tehnologia Informației
Celule fundamentaleTranzistoare bipolare și MOS
Tehnologia Informației
Doris CsipkesDepartamentul Bazele Electronicii
Din conținut...
joncțiunea pn
modelul semiconductoarelor cu benzi energetic polarizarea, concentrații ale purtătorilor, capacitățile de joncțiune, curentul
tranzistoare bipolare tranzistoare bipolare
modelul cu benzi energetice, funcționare și polarizare pașii de fabricație și structura fizică modelul de semnal mare, regimuri de funcționare și caracteristici modelul de semnal mic și parametrii specifici
tranzistoare MOS cu canal indus
pașii de fabricație și structura fizică
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 2
pașii de fabricație și structura fizică polarizarea si regimuri de funcționare modelul de semnal mare modelul de semnal mic și parametrii săi capacitățile parazite
Joncțiunea pn – semiconductoare intrinseci și dopate
joncțiunea pn = alăturarea metalurgică a două materiale semiconductoare dopate complementar p și n
doparea de tip p → un semiconductor intrinsec (ex. Si) dopat cu impurități acceptoare → coloana 3 din tabelul periodic → exces de goluri
doparea de tip n → un semiconductor intrinsec (ex. Si) dopat cu impurități donoare → coloana 3 din tabelul periodic → exces de goluri
funcționarea depinde de modelul cu benzi energetice
distribuțiaFermi-Dirac
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 3
1( )1
FF E EkT
f Ee
Fermi-Dirac
Joncțiunea pn – semiconductoare intrinseci și dopate
doparea modifică modelul cu benzi energetice a semiconductoarelor intrinseci
banda interzisă efectivă scade și deplasarea nivelului Fermi faciliteză formarea de purtători liberi → conducția
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 4
la temperaturi >0K electronii se pot deplasa in banda de conducție sau golurile în banda de valență → purtători de sarcină mobili → curent de conducție
Joncțiunea pn nepolarizată – modelul cu benzi energetice
joncțiunea pn in echilibru nepolarizată→ potențialul intrinsec: 0 2ln A DT
i
N NVn
ioni pozitivi și negativi → câmp electric intern care accelerează purtătorii liberi prin limita dintre materiale → difuzie de purtători
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 5
limita dintre materiale → difuzie de purtători
recombinarea elecroni-goluri până neutralitatea sarcinilor este atinsă și câmpul electric intern este compensat
regiunea de golire la limita dintre materialele cu ioni, dar fără purtatători liberi → izolare efectivă între materialele de tip p și n
Joncțiunea pn polarizată
polarizare inversă → polarizarea întărește câmpul electric intern, regiunea de golire se lățește și bariera de potențial crește → curent zero
polarizare directă → polarizarea compensează câmpul electric intern, regiunea de golire se îngustează și bariera de potențial scade → difuzia purtătorilor și curent prin joncțiune
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 6
Joncțiunea pn capacități și curenți
semiconductoarele dopate împreună cu regiunea de golire → condensator
Cj0 depinde de concentrația dopantului și de constante de material
capacitatea joncțiunii 0
0
1
jj
D
CC
V
capacitatea joncțiunii nepolarizate
tensiune de polarizare
potențial intrinsec
curentul prin joncțiune → determinat din ecuația difuziei
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 7
1D
T
VnV
D SI I e
curentul prin joncțiune → determinat din ecuația difuziei
IS – curent de saturație dependent de temperatură
VT – tensiunea termică
n – coeficientul de gradare a joncțiunii (=1 la joncțiuni abrupte)
Tranzistoare bipolare
tranzistor bipolar = alăturarea a două joncțiuni pn astfel încât unul din materiale să fie folosit la comun
dispozitiv cu 3 terminale controlate în curent:
emitor (E) – sursa purtătorilor emitor (E) – sursa purtătorilor
baza (B) – controlează fluxul de purtători și implicit curentul
colector (C) – capturează purtătorii și îi elimină din dispozitiv
npn sau pnp depinde de tipul de dopant
doar cazul npn e discutat, pnp e similar având tensiunile de polarizare și curenții negativi
substratul este uneori lăsat neconectat → tensiunea controlată prin proiectare
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 8
substratul este uneori lăsat neconectat → tensiunea controlată prin proiectare
Tranzistoare bipolare
tranzistor npn nepolarizat în echilibru → joncțiunile și modelul său cu benzi energetice
BEE BCE
nivelul Fermi este identic pentru toate cele trei straturi
ambele joncțiuni sunt neutre dpv electric cu potențial intrinsec și câmp electric propriu
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 9
ambele joncțiuni sunt neutre dpv electric cu potențial intrinsec și câmp electric propriu
regiuni de golire la limita ambelor joncțiuni
bariere de potential → curent zero
dispozitivul necesită polarizare → tensiuni corespunzătoare aplicate la terminale
Tranzistoare bipolare - polarizarea
joncțiunea BC polarizată invers→ regiunea de golire se lățeste
electronii minoritari din bază sunt atrași de potențialul pozitiv al colectorului → migrația de la B la C
bariera de potențial BC oprește difuzia electronilor câtre B
de unde vin electronii minoritari din bază??
juncțiunea BE polarizată direct → regiunea de golire scade
permite o concentrație mai mare de electroni în B
electronii migrează de la E la C → curentul are sensul de la C la E
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 10
Tranzistoare bipolare – sensul curenților
nu toți electronii din bază ajung în colector → tipic ~1% sunt eliminați prin terminalul bazei → curentul de bază nu este zero → câștig de curent (β)
curentul este asociat cu mișcarea golurilor → sensul curentului este opus cu mișcarea electronilor → săgeata din emitor arată sensul curentului → condiții adecvate de polarizare
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 11
E B C
C B
CE BE CB
I I II IV V V
Tranzistoare bipolare – pași de fabricație simplificați
pași succesivi de mascare, formare,gravură, implantare de ioni și creștere epitaxială
exemplu: tranzistor npn vertical
Pasul 1: implantarea stratului îngropat de C n+ pe un substrat p¯ slab dopat
Pasul 2: creștere epitaxială n¯ pentru contactul vertical de colectorde C n+ pe un substrat p¯ slab dopat pentru contactul vertical de colector
CC
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 12
CC
Tranzistoare bipolare – pași de fabricație simplificați
Pasul 3: implantarea regiunilor p+ → difuzia bazei și izolarea dispozitivelor adiacente
B
B
C
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 13
Alternativă la izolarea dispozitivelor adiacente → gravarea unor adâncituri în stratul epitaxial și umplerea cu izolator
C
Tranzistoare bipolare – pași de fabricație simplificați
Pasul 4: implantarea regiunilor n+ → zona emitorului și conexiunea verticală de colector
BB
B
C
E
E
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 14
B
C
Joncțiunile sunt create într-o configurație verticală → tranzistor npn vertical
Tranzistoare bipolare – pași de fabricație simplificați
Pasul 5: contactele metalice și pasivizarea suprafeței cu SiO2 → tranzistorul final
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 15
Tranzistoare bipolare – modelul de semnal mare
definirea curentului de colector ca o funcție de tensiunile de polarizare, gradienți de concentrație și constante de material
Electronii minoritari difuzați din E în B: 0(0)BE
T
VV
p pn n e
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 16
Gradientul de recombinare în B: ( ) (0) 1p pB
xn x nW
( ) (0)p p
B
dn x ndx W
0BE
T
S
VE n p V
C E nB
I
qA D nI A J e
W
Curentul de colector: BE
T
VV
C SI I e
curent de saturație
Tranzistoare bipolare – efectul Early
potențialul de colector modulează lățimea regiunii de golire BC → lățimea efectivă a bazei se schimbă
0 0BE BE
T T
V VE n p E n pV VC CB BqA D n qA D nI IW We e
1
EAV
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 17
0 02( ) ( )
T T
S
E n p E n pV VC CB B
CE CE B CE B CE CE B CE
I
I IW We eV V W V W V V W V
EAVVEA – tensiunea Early
C CEC CE C
CE EA
I VI V IV V
* 1 CEC C C C
EA
VI I I IV
* 1BE
T
VV CE
C SEA
VI I eV
termenul de corecție a curentului
Tranzistoare bipolare – saturația
VCE=VBE+VCB → daca VCE<VBE → VCB<0 → joncțiunea BC este polarizată direct
lățimea regiunii de golire BC scade → migrație de purtători de C în B
ambele joncțiuni BE și BC injectează purtători în bază
datorită concentrației mari de purtători în bază câștigul de curent β nu mai este relevant → curentul de bază crește semnificativ
în practică VCE nu poate fi prea mic → polarizarea ! CB
II
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 18
Tranzistoare bipolare – caracteristici dependența neliniară a curentului de colector IC cu VBE și VCE :
caracteristica de transfer → are semnificație doar în RAN
caracteristica de ieșire
o familie de curbe dependente de V
1BE
T
VV CE
C SEA
VI I eV
o familie de curbe dependente de VBE
definește regimurile de funcționare (saturația si RAN)
CE
C BE V ctI f V
Caracteristica de transferCaracteristica de ieșire
BE
C CE V ctI f V
OP
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 19
OPOP
Modelul de semnal mic
semnal mic= variații infinitezimale ale tensiunilor și curenților
curentul de colector neliniar este liniarizat în jurul PSF
SCCTImportant: parametrii de semnal mic sunt
1 11
BEBE
B CB m
BE BE
Vr I II gV V
11BEV
VC CE CI V Ig I e
rezistența bază-emitor de semnal mic, sute de kΩ
transconductanța de semnal mic, mS → panta carecteristicii de transfer în jurul PSF
Important: parametrii de semnal mic sunt dependenți de PSF!!!
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 20
1 1BE
T
CE EACE V
CC CVS
CE EA
V Vr II II eV V
11TVC CE Cm S
CE EA T T
I V Ig I eV V V V
panta carecteristicii de transfer în jurul PSF
resistența colector-emitor de semnal mic, sute de kΩ → inversul pantei caracteristicii de ieșire în RAN
Modelul de semnal mic și înaltă frecvență
include efectele capacităților parazite și rezistențele serie ale terminalelor
rB, rC, rE – rezistențe asociate cu contactele B, C si E CCS – capacitate de jonctiune colector-substrat (o funcție de tensiunea VCS ) CBC – capacitate de tip joncțiune bază-colector CBE – capacitate parazită bază-emitor : C C C
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 21
CBE – capacitate parazită bază-emitor : BE BE dep BE diffC C C
capacitate de joncțiune bază-colector
capacitate de difuzie BE datoratădeplasării sarcinii ca un efect al
modificării tensiunii VBE
Modelul de semnal mic și înaltă frecvență
capacitățile → β dependent de frecvență → β(s)
determină răspunsul în frecvență1 1|| ||
C m BE
BE B BEBE BC
i g v
v i rsC sC
colectorul la masă, rezistențele contactelor de C și E se neglijează
BE BCsC sC
0( )
1 BE BE BC
ss r C C
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 22
fT – frecvența de tranzit
Tranzistoare MOS cu canal indus
tranzistoare MOS cu canal indus (Metal-Oxide-Semiconductor) = dispozitiv cu 4 terminale controlat în tensiune:
sursa (S) – sursa purtătorilor majoritari
grila (G) – terminal de control, izolat electric grila (G) – terminal de control, izolat electric
drena (D) – terminal țintă pentru purtători
substratul sau bulk (B) – contact la dispozitie în mod explicit, care necesită polarizare
tranzistor MOS cu canal-n (NMOS) sau canal-p (PMOS) depinde de tipul de semiconductor
doar cazul NMOS este discutat, PMOS este similar dar are toate tensiunile de polarizare și curenții negativi
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 23
analogic digital
Tranzistoare MOS - structura
proces de fabricație n-well cu substrat p¯ slab dopat
tranzistoarele NMOS sunt realizate pe substrat, iar PMOS stau într-o “covată” n-well
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 24
tranzistoarele NMOS sunt realizate pe substrat, iar PMOS stau într-o “covată” n-well
grila de polisiliciu e izolată de semiconductor de un strat subțire de izolator SiO2
contactul de substrat (bulk) la dispoziție pentru polarizare (vezi latch-up)
dispozitivele sunt izolate unele de altele (similar ca la TB)
Tranzistoare MOS – pași de fabricație simplificați
pași succesivi de mascare, formare,gravură, implantare de ioni și creștere epitaxială
1 2
3 4
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 25
5 6
Funcționarea structurii fizice
tranzistor MOS nepolarizat → joncțiunile substrat-sursă și substrat-drenă nepolarizate → regiunile de golire din jurul S și D → nu avem curent prin dispozitiv
potențial de grilă pozitiv mai mic decât VTh → electronii minoritari din substrat sunt atrași de G → regiunea de golire se extinde sub grilădatoritaă recombinării electroni-goluri
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 26
VGS crește peste VTh → strat de inversiune (canal) sub grilă → curent de purtători majoritari → condiția fundamentală pentru conducție
Funcționarea structurii fizice
tensiune VDS mică → joncțiunea substrat drenă polarizată invers → regiunea de golire este extinsă în jurul drenei → canal asimetric
purtătorii sunt accelerați spre D prin contactul ohmic S-D → regim liniar (triodă)→ rezistența ohmic S-D → regim liniar (triodă)→ rezistența controlată în tensiune
VDS ≥ VDSat → regiunea de golire din jurul drenei determină întreruperea canalului (pinch-off) → saturația
Regimul de
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 27
Regimul de operare VGS VDS Canalul
blocat < VTh
nu contează,înafara cazului
când se străpungenu
linear (triodă ) > VTh 0 < VDS < VDsat da, pinch-off
saturat > VTh VDS > VDsat da, pinch-off
Modelul de semnal mare
modelul de semnal mare → dependența curentului ID de VGS și VDS
2
ox DSC W VI V V V
Regim liniar
2
ox DSD GS Th DS
DS DSat
C W VI V V VL
V V
2
2ox
D GS Theff
DS DSat
C WI V VL
V V
Saturație DSat GS ThV V V
Modulația lungimii canalului:
( )eff pinch DSL L X V
pinch pinchD D DX XI I I
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 28
µ – mobilitatea purtătorilor Cox – capacitatea specifică a oxiduluiW, L – lățimea și lungimea tranzistorului Leff – lungimea efectivă a canalului λ – coeficient de modulație a L
pinch pinchD D DD
DS pinch DS eff DS
X XI I I IV X V L V
2* 12
oxDD D DS GS Th DS
DS
C WII I V V V VV L
termen de corecție
Polarizarea substratului
tranzistoarele bipolare parazite și rezitențele de material într-un NMOS și PMOS adiacente crează o buclă de reacție pozitivă → tiristor
orice tensiune/curent nedorit poate amorsa bucla și crează un scurtcircuit între liniile de alimentare→ latch-up
fiecare tranzistor bipolar trebuie dezactivat → substratul pus la masă pentru NMOS (baza de tip p) și conectat la potențial pozitiv pentru PMOS (baza de tip n)
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 29
0 0 02 | | 2 | |Th BS Th BSV V V V Efectul VBS asupra tensiunii de prag:
Modelul de semnal mic în saturație
variații infinitezimale ale tensiunilor și curenților → curentul neliniar de drenăliniarizat în jurul PSF
Important: parametrii de semnal
mD gIg
2 2D D Dm
GS DSat ox
I I LIgV V C W
transconductanța de substrat, o fracțiune din
transconductanța de semnal mic, sute de µS → panta caracteristicii ID(VGS) în jurul PSF
Important: parametrii de semnal mic sunt dependenți de PSF !!!
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 30
02 | | | 2 |mD
mbBS BS
gV V
1 1DSDS
D DDsat
DS sat
VrI II
V
transconductanța de substrat, o fracțiune din gm (~ 20-25% pentru MOSFET cu canal scurt)
resistența drenă-sursă, sute kΩ → inversul pantei caracteristicii ID(VDS) în jurul PSF în regim saturat
Capacitățile parazite
0BSjBS
CC 0BDjBD
CC
OLS OLD OL oxC C WL C
COLS, COLD – capacități de suprapunere ale S și D
CjBS,CjBD, CjBch – capacități de joncțiune sursă-substrat, drenă-substrat și canal-substrat
0
1jBS
BS
BS
CV
0
1jBD
BD
BD
CV
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 31
canal-substrat
Cch – capacitate grilă-canal (sau simplu capacitate de canal) → depinde de regimul de funcționare
Fiecare capacitate contribuie la capacitatea parazită totală dintre terminale, depinzând de regimul de funcționare.
Modelul de semnal mic și înaltă frecvență
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 32
Bibliografie
B. van Zeghebroeck, Principles of Semiconductor Devices, online book, http://ecee.colorado.edu/~bart/book/book/index.html
P.E. Allen, D.R. Holberg, CMOS Analog Circuit Design, Oxford University Press, 2002 P.E. Allen, D.R. Holberg, CMOS Analog Circuit Design, Oxford University Press, 2002
B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, McGraw-Hill, 2002
D. Johns, K. Martin, Analog Integrated Circuit Design, Wiley, 1996
Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 33