Báo cáo bài tập lớn vật lý bán dẫn

Vật lí bán dẫn mơn học khơng thể thiếu sinh viên khoa Điện-Điện Tử Các kiến thức lí thuyết buổi thực hành linh kiện bán dẫn tảng cho sau để sinh viên thân thuộc với linh kiện bán dẫn Trong linh kiện bán dẫn, MOSFET linh kiện sử dụng rộng rãi, phổ biến Việc phân biệt loại MOSFET khác nhau, có cách sử dụng hiệu ứng khác mối liên hệ hiệu ứng Từ đó, sử dụng cách hợp lý hiệu Bài báo cáo nhóm em gồm phần hiệu ứng thứ cấp MOSFET I MOSFET Mosfet, viết tắt "Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor" tiếng Anh, Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) tức Transistor đặc biệt có cấu tạo hoạt động khác với Transistor thơng thường Mosfet có ngun tắc hoạt động dựa hiệu ứng từ trường để tạo dịng điện, linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại nguồn tín hiệu yếu Mosfet có khả đóng nhanh với dịng điện điện áp lớn nên sử dụng nhiều dao động tạo từ trường Vì đóng cắt nhanh làm cho dịng điện biến thiên Nó thường thấy nguồn xung cách mạch điều khiển điện áp cao Cấu tạo Mosfet có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ Cấu tạo Mosfet ngược Kênh N G (Gate): cực cổng G cực điều khiển cách lý hồn tồn với cấu trúc bán dẫn cịn lại lớp điện mơi cực mỏng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic S (Source): cực nguồn D (Drain): cực máng đón hạt mang điện Mosfet có điện trở cực G với cực S cực G với cực D vơ lớn, cịn điện trở cực D cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch cực G cực S ( U GS ) Khi điện áp U GS = điện trở R DS lớn, điện áp U GS > hiệu ứng từ trường làm cho điện trở R DS giảm, điện áp U GS lớn điện trở R DSS nhỏ Phân loại Hiện loại mosfet thông dụng bao gồm loại: ● N-MOSFET: hoạt động nguồn điện Gate zero, electron bên tiến hành hoạt động bị ảnh hưởng nguồn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN VẬT LÝ BÁN DẪN NHÓM 18 GVHD: Thầy Trần Hoàng Quân MSSV Họ tên 2010945 Nguyễn Văn Thanh Chánh 2012380 Phan Lê Tuấn Tú 2011963 Phạm Mạnh Quỳnh 2012304 Lâm Khánh Trung Ngày 31 tháng 10 năm 2021 Mục Lục TÓM TẮT BÁO CÁO I MOSFET II HIỆU ỨNG THỨ CẤP CỦA MOSFET BÃO HÒA VẬN TỘC (VELOCITY SATURATION) .5 HIỆU ỨNG THÂN (BODY EFFECT HAY BACK GATE EFFECT) .7 HIỆU ỨNG GIẢM RÀO CẢN Ở MIỀN DRAIN (DRAIN INDUCED BARRIER LOWERING , DIBL) HIỆU ỨNG RÒ RỈ DÒNG ĐIỆN (LEAKAGE CURENT) 10 ĐIỀU CHẾ ĐỘ DÀI KÊNH DẪN (CHANNEL LENGTH MODULATION) 12 HIỆU ỨNG NHIỆT (TEMPERATURE EFFECTS) 15 KẾT LUẬN 16 LỜI CẢM ƠN .16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 17 TÓM TẮT BÁO CÁO Vật lí bán dẫn mơn học khơng thể thiếu sinh viên khoa Điện-Điện Tử Các kiến thức lí thuyết buổi thực hành linh kiện bán dẫn tảng cho sau để sinh viên thân thuộc với linh kiện bán dẫn Trong linh kiện bán dẫn, MOSFET linh kiện sử dụng rộng rãi, phổ biến Việc phân biệt loại MOSFET khác nhau, có cách sử dụng hiệu ứng khác mối liên hệ hiệu ứng Từ đó, sử dụng cách hợp lý hiệu Bài báo cáo nhóm em gồm phần hiệu ứng thứ cấp MOSFET I MOSFET Mosfet, viết tắt "Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor" tiếng Anh, Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) tức Transistor đặc biệt có cấu tạo hoạt động khác với Transistor thơng thường Mosfet có ngun tắc hoạt động dựa hiệu ứng từ trường để tạo dịng điện, linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại nguồn tín hiệu yếu Mosfet có khả đóng nhanh với dịng điện điện áp lớn nên sử dụng nhiều dao động tạo từ trường Vì đóng cắt nhanh làm cho dịng điện biến thiên Nó thường thấy nguồn xung cách mạch điều khiển điện áp cao Cấu tạo Mosfet có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ Cấu tạo Mosfet ngược Kênh N G (Gate): cực cổng G cực điều khiển cách lý hồn tồn với cấu trúc bán dẫn cịn lại lớp điện mơi cực mỏng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic S (Source): cực nguồn D (Drain): cực máng đón hạt mang điện Mosfet có điện trở cực G với cực S cực G với cực D vơ lớn, cịn điện trở cực D cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch cực G cực S ( U GS ) Khi điện áp U GS = điện trở R DS lớn, điện áp U GS > hiệu ứng từ trường làm cho điện trở R DS giảm, điện áp U GS lớn điện trở R DSS nhỏ Phân loại Hiện loại mosfet thông dụng bao gồm loại: ● N-MOSFET: hoạt động nguồn điện Gate zero, electron bên tiến hành hoạt động bị ảnh hưởng nguồn điện Input ● P-MOSFET: electron bị cut-off gia tăng nguồn điện vào ngỏ Gate Nguyên lí hoạt động Mosfet hoạt động chế độ đóng mở Do phần tử với hạt mang điện nên Mosfet đóng cắt với tần số cao Nhưng mà để đảm bảo thời gian đóng cắt ngắn vấn đề điều khiển lại vấn đề quan trọng Mạch điện tương đương Mosfet Nhìn vào ta thấy chế đóng cắt phụ thuộc vào tụ điện ký sinh ● Đối với kênh P : Điện áp điều khiển mở Mosfet U GS = Dòng điện từ S đến D ● Đối với kênh N : Điện áp điều khiển mở Mosfet U GS > Điện áp điều khiển đóng U GS ≤ Dịng điện từ D xuống S Do đảm bảo thời gian đóng cắt ngắn nhất: Mosfet kênh N điện áp khóa U GS = V cịn kênh P U GS ≈ II HIỆU ỨNG THỨ CẤP CỦA MOSFET BÃO HÒA VẬN TỘC (VELOCITY SATURATION) Vận tốc bão hòa vận tốc lớn mà hạt tải điện chất bán dẫn , nói chung electron , đạt có điện trường cao Khi điều xảy ra, chất bán dẫn cho trạng thái bão hòa vận tốc Các vật mang điện tích thường di chuyển với tốc độ trơi trung bình tỷ lệ với cường độ điện trường mà chúng trải qua theo thời gian Hằng số tỷ lệ gọi độ linh động chất mang, thuộc tính vật chất Một dây dẫn tốt có giá trị độ linh động cao vật mang điện tích nó, có nghĩa vận tốc cao hơn, giá trị dịng điện cao cường độ điện trường định Mặc dù vậy, có giới hạn trình số giá trị trường cao, chất mang điện tích khơng thể di chuyển nhanh nữa, đạt đến vận tốc bão hòa, chế cuối hạn chế chuyển động hạt tải điện vật liệu Điều tốc độ va chạm tán xạ hạt tải điện tăng lên Hiện không tăng với tốc độ mong đợi Đúng hơn, dịng điện tăng ít, có Điểm mấu chốt để hiểu ảnh hưởng độ bão hịa vận tốc tuyến tính vận tốc trôi với giá trị thấp điện trường tác dụng Sự biến thiên thực tế vận tốc trôi điện trường tác dụng thể hình Hình 6: Sự biến thiên vận tốc trôi điện trường áp dụng w.r.t electron Cơng thức xác cho vận tốc trơi đưa sau: v d= μE 1+ E/ Ec gọi điện trường tới hạn Ở điện trường E , tức điện áp bên áp dụng kênh chia cho chiều dài kênh hiệu dụng Chúng ta thấy thiết bị kênh lớn, công thức vận tốc trôi đơn giản hóa thành v d=μE Do đó, hiệu ứng kênh ngắn điện trường bên cao trường hợp thiết bị kênh ngắn cho dải điện áp từ nguồn đến nguồn tương tự áp dụng Nếu giải dòng chảy cách xem xét giá trị nêu vận tốc trôi, nhận được: I D= μ n W C ox [2(V GS−V T ) V Dsat −V Dsat ] 2L 1+V DS / Ec L Đây xác cơng thức trước cho hệ số với thuật ngữ bổ sung gọi K (V DS )= 1+V / E L DS c Bây tiếp tục tăng , điện trường bên bắt đầu tăng Sau thời điểm định, vận tốc trơi bão hịa, làm cho dịng bão hòa Thực tế, dòng điện bão hòa xảy giá trị thấp Hình 7: So sánh bắt đầu bão hòa thiết bị kênh ngắn kênh dài Giả sử giá trị bão hịa xảy cho Sau đó, chúng tơi nhận dịng điện cuối chúng tơi vùng bão hịa là: I D= μ n W C ox [2(V GS−V T )V Dsat −V Dsat ] K (V DS) 2L Lưu ý bão hòa giá trị dòng bão hịa vận tốc trơi điện tử hiệu ứng chụm thảo luận trước So sánh đặc tính IV cho thiết bị kênh ngắn thiết bị kênh dài thể hình Chúng ta phải ln ghi nhớ dịng điện bão hịa xảy nhiều lý tùy thuộc vào kích thước MOSFET HIỆU ỨNG THÂN (BODY EFFECT HAY BACK GATE EFFECT) Trước đây, nhắc đặc tính lý tưởng I- V cho miền source miền body nối chung nối đất Nhưng ứng dụng thực tế, ta lựa chọn khơng nối chung miền source với đất Ví dụ, NMOS sử dụng có miền source khơng nối đất mà nối với nguồn MOSFET khác Trong trường hợp đó, khác biệt điện phần thân phần nguồn gây thay đổi điện áp ngưỡng MOSFET Hiệu ứng thay đổi điện áp ngưỡng gọi hiệu ứng thân hiệu ứng cổng sau ● Hiện tượng vật lý - Chúng ta cố gắng có nhìn trực quan tượng vật lý gây hiệu ứng thân Giả sử có NMOSFET hình trên, có V SB khác cấu hình Điều có nghĩa miền body có điện thấp miền source Và kết việc lỗ trống phần miền body bị hút cuối gần miền body đồng thời điện tử bị đẩy phía lớp oxit Từ phương trình tụ điện MOS, người ta hiểu điện áp ngưỡng MOS tỷ lệ với mật độ electron lớp suy giảm Do đó, tích lũy ngày nhiều electron lớp oxit, giá trị điện áp ngưỡng tăng lên Ta hiểu điều thực tế miền Gate làm kim loại cố gắng phản chiếu độ lớn điện tích có mặt bên oxit Do đó, cần nhiều điện tích hơn, điện áp miền Gate cao để đưa transistor khỏi trạng thái cắt ● Cơng thức tính tốn Biểu thức tính tốn thay đổi điện áp ngưỡng tính tốn dựa tụ điện MOS hiệu ứng thân gây nên là: Trong điện bề mặt cấp thay đổi mức lượng fermi miền body lớp oxit điện bề mặt khơng xảy body bias (V SB = 0) Khi xảy body bias, điện bề mặt trở thành: Hệ số gọi hệ số body bias tính bằng: Cuối cùng, phương trình điện áp ngưỡng hiệu ứng thứ cấp body effect là: Với loại MOSFET thơng thường, ta có hệ số body bias điện bề mặt Phần gần miền body dùng để kiểm sốt hình thành lớp nghịch đảo, giữ điện áp miền Gate khơng đổi Do tượng cịn gọi tượng cổng sau (Back gate) HIỆU ỨNG GIẢM RÀO CẢN Ở MIỀN DRAIN (DRAIN INDUCED BARRIER LOWERING , DIBL) Trước để xảy dẫn điện tử, ta sử dụng điện dương từ miền drain tới miền source Ta thử đặt vùng lượng điện tử thấp quanh miền drain sau tiếp tục tăng lượng lượng electron MOSFET thay đổi, thể hình sau: Khi tăng VDS, ta thấy cần điện áp dương miền gate để tiến hành trình dẫn điện Vì hiệu ứng DIBL xem hiệu ứng điều chỉnh điện áp ngược giống hiệu ứng thân đề cập tập lớn Một công thức thể biến đổi điện áp ngưỡng là: Tham số phụ thuộc vào độ dài kênh dẫn Khi độ dài kênh L tăng lên, giá trị tham số tăng theo cấp số nhân Như DIBL hiệu ứng kênh ngắn Sự phụ thuộc giảm dần theo cấp số nhân tham số vào độ dài kệnh thực với kênh nhỏ, nhiều phần tổng số kênh bị ản hưởng đặt miền drain HIỆU ỨNG RÒ RỈ DÒNG ĐIỆN (LEAKAGE CURENT) Có số hiệu ứng khơng lý tưởng dẫn đến rị rỉ số dịng điện khơng mong muốn MOSFET. Những hiệu ứng không lý tưởng quan trọng việc ước tính lượng tiêu thụ hiệu lượng mạch bao gồm số lượng lớn transistors.  Sơ đồ hình 10 cho thấy hiệu ứng rị rỉ khác có NMOS transistor ● Dẫn truyền ngưỡng (Sub-threshold Conduction) Để xảy dẫn truyền ta cần V GS lớn V T Nhưng, điện áp ngưỡng tính điểm mà khu vực bên oxit vào đảo ngược mạnh Từ kết thử nghiệm, quan sát thấy một số dòng điện chảy từ cống sang nguồn khác chúng hoạt động khu vực có V GS