Báo cáo bài tập lớn vật lý bán dẫn d

G là cực điều khiển được cách lý hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic S Source: cực nguồn D Drain: cực máng đón các

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

2010945 Nguyễn Văn Thanh Chánh

2012380 Phan Lê Tuấn Tú

2011963 Phạm Mạnh Quỳnh

2012304 Lâm Khánh Trung

Mục Lục

TÓM TẮT BÁO CÁO 2

I MOSFET 3

II HIỆU ỨNG THỨ CẤP CỦA MOSFET 5

1 BÃO HÒA VẬN TỘC (VELOCITY SATURATION) 5

2 HIỆU ỨNG THÂN (BODY EFFECT HAY BACK GATE EFFECT) 7

3 HIỆU ỨNG GIẢM RÀO CẢN Ở MIỀN DRAIN (DRAIN INDUCED BARRIER LOWERING , DIBL) 9

4 HIỆU ỨNG RÒ RỈ DÒNG ĐIỆN (LEAKAGE CURENT) 10

5 ĐIỀU CHẾ ĐỘ DÀI KÊNH DẪN (CHANNEL LENGTH MODULATION) 12

6 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 là một môn học không thể thiếu của mọi sinh viên khoa Điện-Điện

Tử Các kiến thức về lí thuyết và các buổi thực hành về các linh kiện bán dẫn là nền tảng cho sau này để mọi sinh viên có thể thân thuộc hơn với các linh kiện bán dẫn

Trong linh kiện bán dẫn, thì MOSFET là một linh kiện cơ bản và được sử dụng rộng rãi, phổ biến Việc phân biệt từng loại MOSFET khác nhau, sẽ có được cách sử dụng cũng như hiệu ứng khác nhau và mối liên hệ giữa các hiệu ứng Từ đó, chúng ta có thể sử dụng một cách hợp lý và hiệu quả

Bài báo cáo nhóm em gồm 6 phần về hiệu ứng thứ cấp chính của MOSFET

I MOSFET

Mosfet, viết tắt của "Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor" trong tiếng Anh, là Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) tức một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistor thông thường Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện,

là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu Mosfet có khả năng đóng nhanh với dòng điện và điện áp khá lớn nên nó được sử dụng nhiều trong các bộ dao động tạo ra từ trường Vì do đóng cắt nhanh làm cho dòng điện biến thiên Nó thường thấy trong các bộ nguồn xung và cách mạch điều khiển điện

áp cao

Cấu tạo

Mosfet có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ

Cấu tạo của Mosfet ngược Kênh N

G (Gate): cực cổng G là cực điều khiển được cách lý hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic

S (Source): cực nguồn

D (Drain): cực máng đón các hạt mang điện

Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn, còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S (UGS) Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDSS càng nhỏ.

Phân loại

Hiện nay các loại mosfet thông dụng bao gồm 2 loại:

● N-MOSFET: chỉ hoạt động khi nguồn điện Gate là zero, các electron bên trong vẫn tiến hành hoạt động cho đến khi bị ảnh hưởng bởi nguồn điện Input

● P-MOSFET: các electron sẽ bị cut-off cho đến khi gia tăng nguồn điện thế vào ngỏ Gate

Nguyên lí hoạt động

Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đóng và mở Do là một phần tử với các hạt mang điện cơ bản nên Mosfet có thể đóng cắt với tần số rất cao Nhưng mà để đảm bảo thời gian đóng cắt ngắn thì vấn đề điều khiển lại là vấn đề quan trọng

Mạch điện tương đương của Mosfet Nhìn vào đó ta thấy cơ chế đóng cắt phụ thuộc vào các tụ điện ký sinh trên nó

● Đối với kênh P : Điện áp điều khiển mở Mosfet là UGS = 0 Dòng điện sẽ đi từ S đến D

● Đối với kênh N : Điện áp điều khiển mở Mosfet là UGS > 0 Điện áp điều khiển đóng là UGS ≤ 0 Dòng điện sẽ đi từ D xuống S

Do đảm bảo thời gian đóng cắt là ngắn nhất: Mosfet kênh N điện áp khóa là UGS =

0 V còn kênh P thì UGS ≈ 0

II HIỆU ỨNG THỨ CẤP CỦA MOSFET

1 BÃO HÒA VẬN TỘC (VELOCITY SATURATION)

Vận tốc bão hòa là vận tốc lớn nhất mà hạt tải điện trong chất bán dẫn , nói chung

là electron , đạt được khi có điện trường rất cao Khi điều này xảy ra, chất bán dẫn được cho là ở trạng thái bão hòa vận tốc Các vật mang điện tích thường di chuyển với tốc độ trôi trung bình tỷ lệ với cường độ điện trường mà chúng trải qua theo thời gian Hằng số

tỷ lệ được gọi là độ linh động của chất mang, là một thuộc tính vật chất Một dây dẫn tốt

sẽ có giá trị độ linh động cao đối với vật mang điện tích của nó, có nghĩa là vận tốc cao hơn, và do đó giá trị dòng điện cao hơn đối với cường độ điện trường nhất định Mặc dù vậy, có một giới hạn đối với quá trình này và ở một số giá trị trường cao, chất mang điện tích không thể di chuyển nhanh hơn nữa, khi đã đạt đến vận tốc bão hòa, do các cơ chế cuối cùng hạn chế chuyển động của các hạt tải điện trong vật liệu Điều này là do tốc độ

va chạm và tán xạ hạt tải điện tăng lên Hiện tại không tăng với tốc độ mong đợi Đúng hơn, dòng điện tăng rất ít, nếu có

Điểm mấu chốt để hiểu ảnh hưởng của độ bão hòa vận tốc là tuyến tính của vận tốc trôi chỉ đúng với các giá trị thấp của điện trường tác dụng Sự biến thiên thực tế của vận tốc trôi đối với điện trường tác dụng được thể hiện trong hình 6

Hình 6: Sự biến thiên của vận tốc trôi của điện trường áp dụng w.r.t electron Công thức chính xác cho vận tốc trôi có thể được đưa ra như sau:

vd=1+ E/ EμE

c

được gọi là điện trường tới hạn Ở đây điện trường E bằng , tức là điện áp bên được áp dụng trên kênh chia cho chiều dài kênh hiệu dụng Chúng ta có thể thấy rằng đối với các thiết bị kênh lớn, công thức vận tốc trôi đơn giản hóa thành vd=μE Do đó, đây cũng là hiệu ứng kênh ngắn vì điện trường bên cao hơn trong trường hợp thiết bị kênh ngắn cho dải điện áp từ nguồn đến nguồn tương tự được áp dụng

Nếu chúng ta giải quyết dòng chảy bằng cách xem xét giá trị đã nêu ở trên của vận tốc trôi, chúng ta nhận được:

ID= nW C2 Lox[2(VGS−VT) VDsat−VDsat2

1+VDS/ EcL

Đây chính xác là công thức trước đây của chúng tôi cho hệ số hiện tại với một thuật ngữ bổ sung được gọi là K (VDS)= 1

1+VDS/ EcL

Bây giờ khi chúng tôi tiếp tục tăng , điện trường bên bắt đầu tăng Sau một thời điểm nhất định, vận tốc trôi sẽ bão hòa, làm cho dòng thoát bão hòa Thực tế, dòng điện bão hòa này xảy ra ở giá trị thấp hơn

Hình 7: So sánh giữa sự bắt đầu bão hòa trong thiết bị kênh ngắn và kênh dài Giả sử giá trị này của tại đó bão hòa xảy ra được cho bởi Sau đó, chúng tôi nhận được dòng điện cuối cùng của chúng tôi trong vùng bão hòa là:

ID= nW C2 Lox[2(VGS−VT)VDsat−VDsat

2

] K (VDS)

Lưu ý rằng sự bão hòa này trong giá trị của dòng thoát là do sự bão hòa của vận tốc trôi của điện tử và không phải do hiệu ứng chụm đã được thảo luận trước đó So sánh giữa các đặc tính IV cho thiết bị kênh ngắn và thiết bị kênh dài được thể hiện trong hình

7 Chúng ta phải luôn ghi nhớ rằng dòng điện bão hòa có thể xảy ra do nhiều lý do tùy thuộc vào kích thước của MOSFET

2 HIỆU ỨNG THÂN (BODY EFFECT HAY BACK GATE EFFECT)

Trước đây, khi nhắc về các đặc tính lý tưởng I- V chúng ta đều cho rằng miền source và miền body nối chung và nối đất Nhưng trong các ứng dụng thực tế, ta có thể lựa chọn không nối chung miền source với đất

Ví dụ, NMOS chúng ta đang sử dụng có miền source không nối đất mà nối với một nguồn hoặc một MOSFET khác Trong trường hợp đó, sự khác biệt điện thế giữa phần thân và phần nguồn sẽ gây ra sự thay đổi điện áp ngưỡng của MOSFET Hiệu ứng thay đổi điện áp ngưỡng này được gọi là hiệu ứng thân hoặc là hiệu ứng cổng sau

● Hiện tượng vật lý

- Chúng ta sẽ cố gắng có một cái nhìn trực quan hơn về hiện tượng vật lý gây ra

Giả sử chúng ta có một NMOSFET như hình trên, có V khác 0 trong cấu hìnhSB này Điều này có nghĩa là miền body có điện thế thấp hơn miền source Và kết quả của việc đó chính là các lỗ trống của phần miền body bị hút về cuối gần miền body đồng thời các điện tử bị đẩy về phía lớp oxit

Từ các phương trình tụ điện MOS, người ta có thể hiểu rằng điện áp ngưỡng của MOS cũng tỷ lệ với mật độ của các electron trong lớp suy giảm

Do đó, khi chúng ta tích lũy ngày càng nhiều electron dưới lớp oxit, thì giá trị của điện áp ngưỡng sẽ tăng lên Ta có thể hiểu điều này bởi thực tế là miền Gate làm bởi kim loại sẽ cố gắng phản chiếu độ lớn của điện tích có ở mặt bên kia của oxit Do đó, chúng ta

sẽ cần nhiều điện tích hơn, điện áp ở miền Gate cao hơn để đưa transistor ra khỏi trạng thái cắt

● Công thức tính toán

Biểu thức tính toán sự thay đổi điện áp ngưỡng được tính toán dựa trên tụ điện MOS

do hiệu ứng thân gây nên là:

Trong đó là điện thế bề mặt được cấp bởi sự thay đổi mức năng lượng fermi giữa miền body và lớp oxit chính là điện thế bề mặt khi không xảy ra body bias (V = 0).SB Khi xảy ra body bias, điện thế bề mặt sẽ trở thành:

Hệ số được gọi là hệ số body bias và được tính bằng:

Cuối cùng, phương trình điện áp ngưỡng trong hiệu ứng thứ cấp body effect là:

Với loại MOSFET thông thường, ta có hệ số body bias và điện thế bề mặt Phần gần miền body có thể dùng để kiểm soát sự hình thành của lớp nghịch đảo, trong khi giữ điện áp của miền Gate không đổi Do đó hiện tượng này còn được gọi là hiện tượng cổng sau (Back gate)

3 HIỆU ỨNG GIẢM RÀO CẢN Ở MIỀN DRAIN (DRAIN INDUCED BARRIER LOWERING , DIBL)

Trước đây để xảy ra sự dẫn điện tử, ta sử dụng một điện thế dương từ miền drain tới miền source Ta thử đặt một vùng năng lượng điện tử thấp quanh miền drain sau đó tiếp tục tăng năng lượng thì năng lượng electron trên MOSFET thay đổi, được thể hiện ở hình sau:

Khi tăng V , ta thấy rằng mình cần ít điện áp dương hơn tại miền gate để tiếnDS hành quá trình dẫn điện Vì vậy hiệu ứng DIBL cũng được xem là một hiệu ứng điều chỉnh điện áp ngược giống như hiệu ứng thân được đề cập trong bài tập lớn Một công thức thể hiện sự biến đổi điện áp ngưỡng này là:

Tham số phụ thuộc vào độ dài kênh dẫn Khi độ dài kênh L tăng lên, giá trị của tham số sẽ tăng theo cấp số nhân Như vậy DIBL cũng là một hiệu ứng kênh ngắn

Sự phụ thuộc giảm dần theo cấp số nhân của tham số vào độ dài kệnh là do thực về với các kênh nhỏ, nhiều phần hơn tổng số kênh sẽ bị ản hưởng hơn khi đặt tại miền drain

4 HIỆU ỨNG RÒ RỈ DÒNG ĐIỆN (LEAKAGE CURENT)

Có một số hiệu ứng không lý tưởng dẫn đến rò rỉ một số dòng điện không mong muốn trong MOSFET Những hiệu ứng không lý tưởng này rất quan trọng trong việc ước tính năng lượng tiêu thụ hoặc hiệu quả năng lượng của mạch bao gồm một số lượng lớn transistors

Sơ đồ hình 10 cho thấy các hiệu ứng rò rỉ hiện tại khác nhau có NMOS transistor

● Dẫn truyền dưới ngưỡng (Sub-threshold Conduction)

Để xảy ra dẫn truyền ta cần VGS lớn hơn VT Nhưng, điện áp ngưỡng này được tính tại điểm mà khu vực bên dưới các oxit đã đi vào đảo ngược mạnh Từ kết quả thử nghiệm, có thể quan sát thấy rằng vẫn còn một số dòng điện chảy từ cống này sang nguồn khác ngay cả khi chúng đang hoạt động tại một khu vực có VGS<V(khu vực dưới ngưỡng) Điều này xảy ra bởi vì, chất nền gần oxit nằm trong "Đảo ngược yếu" Tại thời điểm này, nếu chúng ta áp dụng một tích cực, sẽ có một dòng trôi nhỏ ID

● Đường hầm cổng (Gate Tunneling)

Trong trường hợp lý tưởng, người ta cho rằng dòng điện đi vào bằng với dòng điện ra khỏi nguồn Vì lớp oxit là một vật liệu cách điện, không có dòng điện nào có thể chảy vào kênh từ đầu đến cuối cống Điều này thực sự đúng nếu độ dày oxit "đủ lớn" Tuy nhiên, để có tốc độ hoạt động tăng thì phải giảm độ dày của lớp oxit để có điện dung cao trên một đơn vị chiều dài, điều này sẽ dẫn đến dòng bão hòa cao Nhưng có một giới hạn mà chúng ta có thể giảm độ dày lớp oxit Ngay cả đối với các thiết bị kênh ngắn, khi tiếp tục giảm kích thước của các thiết bị, thì cũng cần thu nhỏ

độ dày của oxit Do đó, xác suất một electron đào hầm qua lớp oxit và đi vào kênh đảo ngược tăng lên Trên thực tế, chúng ta có thể có độ dày oxit là khoảng 1,5 nm, để tránh bất kỳ hiện tượng đường hầm nào

5 ĐIỀU CHẾ ĐỘ DÀI KÊNH DẪN (CHANNEL LENGTH MODULATION) Khi ta tiếp tục tăng V , vùng mà điện tích nghịch đảo bằng 0 tiếp tục tăng với giáDS

trị không đổi là V được duy trì Do đó, độ dài kênh của chúng tiếp tục giảm Hiện tượngGS

này được gọi là điều chế độ dài kênh

Một số người trong chúng ta có thể quen thuộc với một hiệu ứng tương tự trong trường hợp BJT được gọi là “Điều chế độ rộng nền” Do đó, chúng ta nhận được số hạng

VDS trong biểu thức cho I ngay cả khi ta đang hoạt động trong vùng bão hòa.D

Nói chung, việc chế tạo các thiết bị MOSFET được thực hiện theo cách mà sự thay đổi về độ dài được cho bởi ΔL = L - L' là thấp với sự thay đổi trong V DS

Hình 1: Giảm độ dài kênh do điều chế độ dài kênh

Mô hình điều chế độ dài kênh dẫn

Để lập mô hình điều chế độ dài kênh, ta sử dụng các cấu trúc sau:

1−λ VDS≈ 1+ λ VDS

Do đó: 1

L'=1+ λ VDS

Thay kết quả trên vào phương trình hiện tại cho chế độ bão hòa, chúng ta nhận được:

ID= nW Cox

2](1+λ VD)

Do đó từ phương trình ta có thể thấy quan hệ của I với V là parabol và với VD GS DS

là tuyến tính đối với hoạt động vùng bão hòa

Hình 2: Đặc tuyến I-V tổng thể của transistor NMOS xem xét điều chế độ dài kênh

Trong biểu đồ của hình 2, chúng ta có thể thấy tác dụng của Điều chế độ dài kênh,

ở đây ngay cả khi V > V – V Sự gia tăng I là tuyến tính đối với V trong vùng bãoDS GS T D DS hòa

Lý tưởng nhất là chúng ta muốn dòng điện bão hòa khi điện áp từ nguồn đến nguồn vượt quá điện áp quá mức Do đó, sự thay đổi dòng điện trong vùng bão hòa càng

ít thì chất lượng hoạt động của transistor càng tốt Tham số λ độ dốc của đường cong hiện tại trong vùng bão hòa Vì vậy, nên ta muốn λ càng nhỏ càng tốt (nhớ lại rằng trong

trường hợp lý tưởng, nó bằng 0) Thực tế λtăng lên khi độ dài kênh (L) của chúng ta tăng lên

Điện áp Early ( Early Voltage)

Giả sử chúng ta lấy các đường cong I-V khác nhau trong vùng bão hòa của chúng

và ngoại suy chúng về phía trục âm cho V Chúng ta sẽ quan sát thấy rằng các đườngDS ngoại suy này cắt trục V tại một giá trị nhất định được cho bởi DS −1

λ Đại lượng 1λ còn được gọi là điện áp sớm V Vì vậy, nhiều hơn là điện áp sớm V , tốt hơn là hiệu suất củaA A MOSFET của chúng ta trong vùng bão hòa

6 HIỆU ỨNG NHIỆT (TEMPERATURE EFFECTS)

Điện áp ngưỡng Vt và độ linh động μn , p sẽ thay đổi nếu nhiệt độ thay đổi, cụ thể: + Điện áp ngưỡng Vt sẽ giảm 2-mV đối với 1o

C tăng lên �㹪 Dòng điện ID sẽ giảm.

+ Độ linh động μn , p sẽ thay đổi có thể tăng hoặc giảm, do độ linh động phụ thuộc vào chiều dài kênh và độ tán xạ của nó

Sự phụ thuộc của các hiệu ứng khác vào nhiệt độ:

+ Sự rò rỉ ở các ngã giao (Junction Leakage): sẽ tăng lên khi nhiệt độ tăng

+ Độ bão hòa vận tốc (Velocity Saturation): sẽ diễn ra sớm hơn với nhiệt độ cao

+ Dẫn truyền dưới ngưỡng (Sub-threshold conduction): Tăng theo cấp số nhân theo cấp

số nhân với nhiệt độ Điều này có nghĩa là ở nhiệt độ thấp, điện áp ngưỡng thấp hơn có thể được sử dụng

�㹪 Hầu hết các hiệu ứng thứ cấp đều phụ thuộc vào nhiệt độ, vì vậy các transistor đáng tin cậy hơn khi ở nhiệt độ thấp

KẾT LUẬN Trong bài báo cáo này, chúng ta đã thấy được một số hiệu ứng thứ cấp khác nhau ở MOSFET Ta thấy được rằng những đặc tính không lý tưởng này ảnh hưởng không nhỏ đến đặc tuyến I-V Để hiểu rõ và sử dụng MOSFET cho việc thiết

kế mạch sau này, ta cần phải lưu ý đến các hiệu ứng thứ cấp, vì những hiệu ứng thứ cấp này có thể làm giảm hiệu suất của mạch và các thiết bị

LỜI CẢM ƠN Qua việc thực hiện và hoàn thành bài tập lớn chúng em nhận thấy được đây

là một giai đoạn quan trọng trong quá trình học tập nghiên cứu môn học Vật lí bán dẫn của chúng em Nó giúp chúng em rèn luyện và trao dồi khả năng làm việc nhóm, giải quyết vấn đề và thực hiện đề tài đồng thời là tiền đề cho chúng em sau này khi thực hiện những chuyên đề, đồ án hay luận văn được tốt hơn Nhóm chúng

em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Hoàng Quân đã tận tình giúp đỡ, cung cấp kiến thức lí thuyết để chúng em có nền tảng Vật lí bán dẫn vững chắc và vận dụng vào chủ đề này Do chỉ mới là sinh viên năm nhất còn non trẻ, lượng kiến thức và kinh nghiệm còn mỏng nhẹ, nên chúng em kính mong sự đóng góp và nhận xét từ quý thầy cô để chúng em có thể hoàn thiện bản thân mình từ đó là tốt hơn trong những đề tài khác Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn thầy