Chương 4 Kỹ thuật điện tử tương tự

4 CHƢƠNG 4 TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƢỜNG (MOSFET) Giới thiệu 4 1 Cấu trúc linh kiện và hoạt động vật lý 4 2 Đặc tuyến Von Ample 4 3 Các mạch MOSFETs một chiều 4 4 MOSFETs trong vai trò một bộ khuếch đại.

CHƢƠNG TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƢỜNG (MOSFET) Giới thiệu 4.1 Cấu trúc linh kiện hoạt động vật lý 4.2 Đặc tuyến Von - Ample 4.3 Các mạch MOSFETs chiều 4.4 MOSFETs vai trò khuếch đại chuyển mạch 4.5 Phân cực mạch khuếch đại MOS 4.6 Các mơ hình hoạt động tín hiệu nhỏ 4.7 Các khuếch đại MOS tầng Giới thiệu Sau nghiên cứu điốt tiếp giáp, linh kiện bán dẫn có cực nhất, ta ta chuyển sang nghiên cứu linh kiện có cực Linh kiện cực hữu ích nhiều so với linh kiện cực chúng sử dụng vơ số ứng dụng, từ khuyếch đại tín hiệu đến logic số nhớ Nguyên lý bao hàm sử dụng điện áp hai cực để điều khiển dòng điện chạy cực thứ Theo cách linh kiện cực sử dụng để thực nguồn điều khiển, ta học chương sở cho việc thiết kế mạch khuếch đại Ngồi ra, tín hiệu điều khiển sử dụng để tạo dòng điện cực thứ thay đổi từ đến giá trị lớn, cho phép linh kiện hoạt động khóa điện tử Như học chương 1, khóa điện tử sở cho việc thực biến đổi logic, phần tử mạch số Có hai loại linh kiện bán dẫn cực chủ yếu: transistor hiệu ứng trường (MOSFET), linh kiện mà học chương này, transistor lưỡng cực (BJT), nghiên cứu chương Mặc dù loại có đặc tính riêng ứng dụng nhiều lĩnh vực, MOSFET đến trở thành linh kiên điện tử sử dụng rộng rãi nhất, đặc biệt việc thiết kế mạch tích hợp (ICs), mà mạch điện chế tạo chip silicon So với BJT, MOSFET chế tạo nhỏ (tức địi hỏi diện tích nhỏ chip chip silicon) trình sản xuất chúng tương đối đơn giản (xem phụ lục A) Ngoài ra, hoạt động chúng yêu cầu công suất tương đối thấp Hơn nữa, nhà thiết mạch điện tìm thấy cách để thực hàm số tương tự gần sử dụng MOSFET ( tức với điện trở khơng có) Tất đặc điểm mang đến khả đóng gói số lượng lớn MOSFET (> 200 triệu) chip silicon để thực mạch điện tinh vi, mạch tích hợp có qui mô lớn (VLSI) chẳng hạn nhớ vi xử lý Các mạch tương tự khuếch đại lọc thực cơng nghệ MOS, dù mật độ tích hợp chíp nhỏ Ngoài hai chức tương tự số ngày có khả thực chip, biết đến thiết kế tín hiệu hỗn hợp Mục tiêu chương trình bày cho người đọc hiểu biết MOSFET mức độ cao hơn: cấu trúc vật lý hoạt động, đặc điểm cực, mơ hình mạch điện, mạch ứng dụng bản, khuếch đại biến đổi logic Mặc dù transistor MOS rời rạc tồn tại, nội dung nghiên cứu chương cho phép người đọc thiết kế thiết kế mạch MOS rời rạc, nghiên cứu ta MOSFET bị chi phối mạnh mẽ thực tế rằng, hầu hết các ứng dụng trong thiết kế mạch tích hợp Thiêt kế vi mạch tương tự mạch số MOS chiếm tỉ lệ lớn phần lại sách 4.1 Cấu trúc linh kiện hoạt động vật lý Transistor MOSFET loại cải tiến tranzsistor hiệu ứng trường sử dụng nhiều Trong phần này, nghiên cứu cấu trúc hoạt động vật lý MOSFET Các đường đặc tính V-A linh kiện, nghiên cứu phần sau 4.1.1 Cấu trúc linh kiện Hình 4.1, thể cấu trúc vật lý MOSFET loại cải tiến kênh n Ý nghĩa tên gọi “cải tiến” “kênh n” giải thích sau Transistor chế tạo chất loại p, đế silicon đơn tinh thể mỏng cung cấp hỗ trợ vật lý cho linh kiên (và cho toàn mạch điện trường hợp mạch tích hợp) Hai vùng bán dẫn loại n có nồng độ tạp chất lớn, hình miền nguồn n máng, tạo miền đế Một lớp mỏng silicon dioxide (SiO2) có độ dày 𝑡𝑜𝑥 ( thường 2-50 𝑛𝑚2 ) chất cách điện tuyệt vời, tăng cường bề mặt đế, bao bọc vùng diện tích miền nguồn vùng máng Kim loại phủ lớp oxide để tạo thành điện cực gốc linh kiện Tiếp xúc kim loại sử dụng để tao thành miền nguồn, miền máng, miền đế, hay cịn gọi thân Do cực đưa ngoài: cực gate (G), cực nguồn (S), cực máng (D), cực đế hay cực body (B) Ở điểm nên rõ ràng tên linh kiện (FET bán dẫn oxit kim loại) bắt nguồn từ cấu trúc vật lý Tuy nhiên trở thành tên tên gọi chung dùng cho FET không sử dụng kim loại cho điện cực gốc Trong thực tế, hầu hết MOSFET đại chế tạo sử dụng trình biết đến cơng nghệ silicon-gate, loại silicon xác định gọi polysilicon, sử dụng để tạo thành điện cực gốc (xem phụ lục A) Sư mô tả hoạt động ứng dụng đặc tính MOSFET sau khơng phân biệt loại điện cực cổng khác Vùng nguồn Đế loại P Vùng kênh Vùng máng (A) Cực nguồn Cực cửa Cực máng Đế Một tên khác MOSFET FET cực cổng cách ly hay IGFET Tên bắt nguồn từ cấu trúc vật lý của linh kiện, nhấn mạnh thực tế điện cực cổng cách ly điện với phần thân linh kiện (bởi lớp oxide) Chính cách ly làm cho dòng điện cực cổng trở lên nhỏ (khoảng 10-15 A) Quan sát cho thấy lớp tạo lên lớp tiếp giáp pn với miền nguồn máng Trong điều kiện hoạt động bình thường, lớp tiếp xúc luôn phân cực ngược Khi cực máng có điện dương so với với cực nguồn lớp tiếp giáp pn loại bỏ hoàn toàn cách nối cực với cực nguồn Chúng ta giả thiết điều trường hợp mô tả hoạt động MOSFET Như lớp xem không ảnh hưởng đến hoạt động linh kiện, MOSFET coi linh kiện có cực, với cực cực cổng (G), cực nguồn (S) cực máng (D) Có thể thấy điện áp đặt vào cực cổng điều khiển dòng diện cực nguồn cực máng Dòng điện chạy theo chiều dọc từ cực máng đến cực nguồn gọi “miền kênh” Lưu ý miền có chiều dài L chiều rộng W, thơng số quan trọng MOSFET Trong thơng thường L nằm khoảng 0,1 µm đến µm, W nằm khoảng từ 0,2 µm đến 100 µm .Cuối , cần lưu ý MOSFET linh kiện đối xứng, cực nguồn cực máng đổi chỗ cho khơng làm thay đổi tính chất linh kiện 4.1.2 Hoạt động trƣờng hợp khơng có điện áp cổng Khi khơng có điện áp phân cực đưa vào cực cổng, điốt quay lưng vào mắc nối tiếp cực máng nguồn Một điốt tạo lớp tiếp xúc pn vùng cực máng n+ vùng đế loại p, điốt tạo lớp tiếp giáp pn miền đế loại p miền cực nguồn loại n+ Các điốt giúp ngăn chặn dẫn điện từ miền cực máng sang miền cực nguồn điện áp vDS đưa vào Trên thực tế, đường dẫn cực máng cực nguồn có điện trở lớn (khoảng 10 Ω ) 12 4.1.3 Tạo kênh cho dòng điện Xét trường hợp mơ tả hình 4.2 Ở ta nối đất cực nguồn cực máng , đặt điện áp dương vào cực cổng (G) Do cực nguồn nối đất nên xuất điện áp cực cổng tương ứng cổng cực nguồn, ký hiệu vGS Trong trường hợp , điện áp dương cực cổng khiến cho lỗ trống tự (điện tích dương) giải phóng khỏi miền cực nằm phía cực cổng (miền kênh) Những lỗ trống đẩy xuống phía vùng nền, để lại sau chúng miền nghèo Vùng nghèo lấp đầy điện tích âm cộng tương ứng với nguyên tử nhận Những điện tích “mở” lỗ trống trung hịa điện tích đẩy xuống miền Cũng vậy, điện áp cực cổng hút electrons từ miền cực nguồn miền cực máng n+ ( nơi có nhiều electron) vào miền kênh Khi lượng đủ electron tích lũy gần bề mặt cực bên cực cổng, kết miền n tạo ra, nối miền cực nguồn miền cực máng, hình 4.2 Bây điện áp đặt cực máng cực nguồn, dòng điện chảy qua miền cảm ứng n, dòng electron dịch chuyển mang lại Miền cảm ứng n tạo nên kênh dẫn cho dòng điện từ cực máng đến cực nguồn, gọi với tên tương ứng, kết MOSFET hình 4.2 gọi MOSFET kênh n transistor NMOS Lưu ý MOSFET kênh n tạo thành miền đế loại p Kênh dẫn tạo cách đảo bề mặt đế từ loại p sang loại n Do kênh cảm ứng gọi lớp nghịch đảo Hình 4.2 Transistor NMOS loại cải tiến với điện áp đặt đặt vào cực cổng , kênh n cảm ứng đỉnh lớp bên cực cổng Giá trị điện áp vGS lượng đủ electron tự tích lũy miền kênh để tạo nên kênh dẫn gọi điện áp ngƣỡng ký hiệu Vt Hiển nhiên Vt FET kênh n dương Giá trị Vt điều chỉnh trình sản xuất linh kiện thông thường nằm khoảng 0.5 đến V Cực cổng miền kênh MOSFET tạo thành tụ song song, với lớp oxit đóng vai trị chất điện mơi tụ điện Điện áp dương cực cổng dẫn đến điện tích dương tích tụ mặt tụ điện (điện cực cổng) Điện tích âm tương ứng mặt phía tạo electrons kênh cảm ứng Điện trường tạo theo phương thẳng đứng Chính điện trường điều khiển số lượng điện tích kênh, định độ dẫn điện kênh tiếp dịng điện chảy qua kênh có điện áp vGS đặt vào 4.1.4 Đặt điện áp vDS nhỏ Khi có kênh dẫn, đặt điện áp dương vDS cực máng cực nguồn, hình 4.3 Trước hết ta xem xét trường hợp mà điện áp vDS nhỏ (ví dụ vDS = 50mV tương tự) Điện áp vDS tạo dòng điện iD chảy qua kênh cảm ứng n Dòng điện tạo electrons tự di chuyển từ cực nguồn sang cực máng (do đặt tên nguồn máng) Theo qui luật hướng dịng điện ngược với hướng dịng điện tích âm Do dòng điện kênh iD phụ thuộc vào mật độ electrons kênh, tức phụ thuộc vào độ lớn vDS Cụ thể vGS = Vt kênh điều chỉnh giảm xuống dòng điện dẫn nhỏ Khi vGS >Vt, thêm nhiều electrons hút vào kênh Chúng ta hình dung tăng hạt mang điện kênh giống tăng độ dày kênh Kết tạo kênh có độ dẫn điện tăng, nói cách khác có điện trở giảm Trên thực tế độ dẫn điện kênh tỉ lệ thuận với độ điện áp cổng ( vGS  Vt ) gọi điện áp hiệu dụng điện áp điều khiển Theo dịng điện dịng iD iD tỉ lệ thuận với ( vGS  Vt ) tất nhiên với điện áp vDS tạo Hình 4.3 Một transistor NMOS với vGS  Vt với điện áp vGS đặt vào nhỏ Linh kiện hoạt động giống điện trở mà giá trị điện trở định điện áp vGS Rõ ràng độ dẫn điện kênh tỉ lệ thuận với điện áp ( vGS  Vt ) dịng điện iD tỉ lệ thuận với (vGS  Vt )vDS Lưu ý vùng nghèo (để đơn giản hóa) Hình 4.4 thể mơ tả dòng iD với vDS tương ứng với giá trị khác vGS Chúng ta quan sát thấy MOSFET hoạt động giống điện trở tuyến tính mà giá trị điều khiển vGS Điện trở vô với vGS < Vt giá trị điện trở giảm vGS > Vt Hình 4.4 Đặc tính V-A iD - vDS MOSFET hình 4.3 điện áp đặt vào cực máng cực nguồn, vDS nhỏ Linh kiện hoạt động giống điện trở tuyến tính với giá trị điện trở điểu khiển điện áp vGS Mơ tả phía để MOSFET dẫn điện, kênh phải cảm ứng, sau tăng điện áp vGS lên điện áp ngưỡng Vt tăng cường kênh dẫn, đặt tên hoạt động chế độ tăng cƣờng MOSFET cải tiến Cuối cùng, cần lưu ý dòng điện từ cực nguồn (iS) với dòng điện vào cực máng ( iD ), dòng điện cực cổng IG 4.1.5 Hoạt động vDS tăng Tiếp theo, xét trường hợp vDS tăng Để có điều giữ điện áp vGS giá trị không đổi lớn giá trị Vt Tham khảo hình 4.5 lưu ý điện áp vDS xuất điện áp rơi chiều dài kênh dẫn Nghĩa là, ta dọc theo kênh dẫn từ cực nguồn tới cực máng, điện áp (được đo tương ứng với nguồn) tăng từ đến vDS Do điện áp cực cổng điểm dọc theo kênh dẫn giảm từ vGS điểm cuối cực nguồn đến vGS  vDS điểm cuối cực máng Do chiều sâu kênh dẫn phụ thuộc vào điện áp này, ta thấy chiều sâu kênh dẫn không cịn đồng đều; kênh dẫn có dạng hình nêm hình 4.5, đạt sâu điểm cuối cực nguồn nông điểm cuối cực máng Khi vDS tăng, kênh dẫn trở nên nhọn điện trở tăng tương ứng Do đường đặc tính V-A iD- vDS không tiếp tục đường thẳng mà bị bẻ cong hình 4.6 Hình 4.5 Hoạt động transistor NMOS cải tiến điện áp vDS tăng Kênh dẫn thu dạng hình nêm điện trở tăng vDS tăng.Ở vGS giữ số giá trị > Vt Hình 4.6 Dịng điện cực máng iD so với điện áp cực máng –nguồn vDS transistor NMOS loại cải tiến hoạt động với vGS  Vt Cuối cùng, vDS tăng tới giá trị khiến điện áp cực cổng kênh dẫn điểm cuối cưc máng giảm xuống giá trị Vt, tức vGD  Vt vGS  vDS  Vt vDS  vGS  Vt Độ dày kênh dẫn điểm cuối cực máng giảm xuống gần 0, kênh dẫn gọi bị thắt kênh Tăng VDS ngồi giá trị có ảnh hưởng (trên lý thuyết khơng ảnh hưởng) lên hình dạng kênh dẫn, dòng điện qua kênh trì khơng đổi giá trị đạt để vDS  vGS  Vt Do dịng điện cực máng bão hòa giá trị này, MOSFET gọi vào hoạt động vùng bão hòa Điện áp vDS điểm xảy bão hòa gọi vDSsat vDSsat  vGS  Vt Dễ thấy, với giá trị vGS  Vt có giá trị vDSsat tương ứng Linh kiện hoạt động vùng bão hòa vDS  vDSsat Vùng đặc tính iD - VDS đạt để vDS  vDSsat gọi vùng ba cực, tên có từ thời linh kiện ống chân khơng có hoạt động tương tự FET Hình 4.7 Tăng điện áp vDS dẫn đến kênh dẫn có dạng hình nêm Cuối vDS đạt đến vGS  Vt , kênh dẫn bị kẹp điểm cuối cực máng Tăng điện áp vDS lớn vGS  Vt có ảnh hưởng (theo lý thuyết khơng có ảnh hưởng) đến hình dạng kênh dẫn Để giúp hình dung rõ ảnh hưởng vDS , Hình 4.7 đưa đồ thị kênh dẫn vDS tăng vGS giữ không đổi Theo lý thuyết, tăng vDS lớn điện áp vDSsat ( vDSsat  vGS  Vt ) không ảnh hưởng đến hình dạng kênh dẫn đơn giản xuất qua vùng nghèo bao quanh kênh dẫn vùng cực máng n 4.1.6 Cơ sở quan hệ đặc tuyến iD  vDS Mô tả hoạt động vật lý trình bày sử dụng để làm sở biểu diễn mối quan hệ iD  vDS mơ tả Hình 4.6 Hướng đến mục đích đó, giả sử điện áp vGS đặt vào cực cổng cực nguồn với vGS  Vt để dẫn kênh Đồng thời giả sử điện áp vDS đặt vào cực máng cực nguồn Đầu tiên, ta xem xét hoạt động vùng ba cực, để hoạt động vùng kênh dẫn phải liên tục vGD phải lớn VT , tương đương với vDS  vGS  Vt Trong trường hợp kênh dẫn có dạng hình nêm thể hình 4.8 Người đọc nhớ lại MOSFET, cực cổng vùng kênh dẫn tạo thành tụ điện cực song song, mà lớp oxide đóng vai trị chất điện mơi Nếu điện dung đơn vị diện tích miền cực cổng ký hiệu Cox độ dày lớp oxide tox Cox  Trong  ox  ox tox (4.2) gọi số điện môi silicon oxide,  ox  3.9  3.9  8.854  10 12  3.45  10 11 F m Độ dày lớp oxide tox xác định qui trình cơng nghệ sử dụng để chế tạo MOSFET Xét ví dụ, cho tox  10 nm , Cox  3.45  10 3 F m2 3.45 fF/µm2 thường thể Bây tham khảo hình 4.8 xem xét đoạn nhỏ cực cổng khoảng cách x từ cực nguồn Điện dung đoạn CoxW dx Để tìm điện tích tích trữ dải vơ nhỏ điện dung cực cổng, nhân điện dung với điện áp hiệu dụng cực cổng kênh dẫn điểm x, điện áp hiệu dụng điện áp có nhiệm vụ tạo kênh dẫn điểm x bẳng vGS  v( x)  Vt  v(x) điện áp kênh dẫn điểm x Theo ta có điện tích electron dq đoạn nhỏ kênh điểm x dq  Cox WdxGS  vx  Vt  (4.3) Trong dấu âm cho thấy dq điện thích âm Điện áp vDS tạo điện trường dọc theo kênh dẫn ngược hướng với x Tại điểm x điện trường biểu diễn E x    dvx  dx Điện trường E(x) dẫn đến điện tích electron dq trơi phía cực máng với vận tốc dx dt dx dvx     n E ( x)   n dt dx (4.4) Trong n độ linh động electrons kênh dẫn (được gọi độ linh động bề mặt) Đó thơng số vật lý mà giá trị phụ thuộc quy trình cơng nghệ chế tạo Kết dịng điện trơi thu sau: i dq dq dx  dt dx dt Thay điện tích đơn vị chiều dài dq dt từ Phương trình (4.3) vận tốc electron trơi dx / dt từ Phương trình (4.4), kết là: i    nCoxW vGS  vx   Vt  dv( x) dx Mặc dù đánh giá điểm cụ thể kênh dẫn, dòng điện i phải số tất điểm dọc theo kênh dẫn Do dòng điện i phải dịng điện từ cực nguồn đến cực máng Vì quan tâm đến dòng điện iD từ cực máng đến cực nguồn, ta xác định sau iD  i   nCoxW GS  vx   Vt  dv( x) dx Công thức viết lại theo dạng iD dx  i   nCoxW vGS  vx   Vt  dv( x) dx Tích phân vế phương trình x chạy từ x=0 đến x=L đó, v(0)  đến v( L)  vDS L vDS 0  iD dx  Dẫn đến   C W v n ox GS  vx   Vt dv( x) ... đóng vai trị chất điện mơi tụ điện Điện áp dương cực cổng dẫn đến điện tích dương tích tụ mặt tụ điện (điện cực cổng) Điện tích âm tương ứng mặt phía tạo electrons kênh cảm ứng Điện trường tạo... đứng Chính điện trường điều khiển số lượng điện tích kênh, định độ dẫn điện kênh tiếp dịng điện chảy qua kênh có điện áp vGS đặt vào 4. 1 .4 Đặt điện áp vDS nhỏ Khi có kênh dẫn, đặt điện áp dương... cực nguồn, hình 4. 3 Trước hết ta xem xét trường hợp mà điện áp vDS nhỏ (ví dụ vDS = 50mV tương tự) Điện áp vDS tạo dòng điện iD chảy qua kênh cảm ứng n Dòng điện tạo electrons tự di chuyển từ