Transistor hiệu ứng trường MOSFET

Trang 1

Nguyễn Quốc Cường

Bộ môn 3I-HUT

Transistor hiệu ứng trường ,

Trang 2

Giới thiệu

« MOSFET: Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

« MOSFET được sử dụng nhiều trong công nghệ chế tạo IC - Kích thước nhỏ -_ Công suất tổn hao thấp -_ Giá thành thấp „ Chế tạo IC tương tự và số có độ tích hợp cao « MOSFET có 2 kiểu -_ Enhancement MOSFET (được sử dụng nhiều) - Depletion MOSFET

- Chung ta sé xem xét Enhancement MOSFET

+ M6t tén khac cua MOSFET la IGFET (Insulated-gate FET)

Transistor hiệu ứng trường 4

Trang 3

Cấu trúc Oxide (SiO;) Soure region p-type substrate (Body) Channel region Drain region (a) Source (S) Gate (G) Drain (D) Oxide (SiO2) (thickness = 1,,) Channel region ——+:— p-type substrate (Body) Body (B) (b)

N-channel enhancement-type MOSFET (goi tat n- MOSFET)

Thường L = 0.1 dén 3um, W=0.2 dén 100 pum, tox = 2 đến 50nm

Transistor hiéu tng trường

Trang 4

« MOSFET co 3 cuc - Cuc G (Gate) - Cuc D (Drain) - Cuc S (Source) „ _ Do lớp oxide chắn giữa cực G nên dòng cực gate là rất nhỏ (cỡ 10-15A)

« MOSFET là thiết bị đối xứng,có nghĩa là cực D và S có thể

thay đổi vai trò của nhau mà không làm thay đổi đặc tính của MOSFET

„ Khi không có điện thế phân cực cho G, thì giữa D và S coi như 2 diode mắc ngược nhau > nếu có điện áp giữa S và D thì sẽ không tạo ra dòng điện > điện trở lớn (cỡ 10120)

Trang 5

Hình thành kênh dẫn trong n-MOS + Gate electrode Induced n-type channel

Transistor hiệu ứng trường

Trang 6

« Cực Body, D và S nối đất « _ Cực G được cung cấp một điện áp dương: -_ Các lỗ trống gần cực G sẽ bị đẩy ra xa -_ Các e của bán dẫn n+ từ S và D sẽ bị kéo vào cực G « Nếu vẹs nhỏ: -_ số e tập trung ít -_ chưa hình thành kênh dẫn « Khi vạs tăng: -_ nhiều điện tử được tâp trung trong vùng dưới cực G -_ hình thành kênh dẫn n (n-MOSFET) -_ điện áp tạo đó hình thành kênh dẫn được gọi là điện áp ngưỡng V, (thường từ 0.5V đến 1.0V)

- Độ sâu của kênh dẫn tỉ lệ với điện áp giữa điện thế cực G và điện thế của kênh dẫn

Trang 7

Vung triode - vp, nho

Transistor hiệu ứng trường ý

Trang 8

« _ Thiết lập điện áp vọs nhỏ (cỡ 50mV):

-_ Các điện tử dịch chuyển từ S đến D -> tạo ra dòng i„ (chiều từ D đến S)

+ Dong ip

-_ phụ thuộc vào nồng độ điện tử tập trung trong kênh dẫn, đại lượng này lại phụ thuộc vào vẹs

-_ phụ thuộc vào vps

„_ Thực tế khi vụs nhỏ, dòng i; tỉ lệ tuyến tính với (ves - Vị) cũng như vụs > được coi như là điện trở (Rps) được điều

khiển bằng điện áp vọs

Trang 9

ip (MA) 04 tgs = V, + 2V 03 ves = V, + 15V 02 ves =V,+1V 01 vos = V, + 0.5 V ves < V; L L L /, 0 50 100 150 200 vps (mV)

Trang 10

Hoạt động của MOSFET khi vạs lớn

«_ Giữ Vẹs = const ( > V,) va tang Ves + Dọc theo kênh dẫn từ S đến D,: + điện áp thay đổi từ 0 đến vụs » điện áp so với cực G tăng từ Veg dén (Veg — Vps) > độ sâu của kênh dẫn sẽ có hình thang : nở rộng tại S và thu nhỏ tại D n-channel p-type substrate

Transistor hiéu tng trường 4

Trang 11

Dọc theo kênh dẫn từ S đến D,:

-_ điện áp thay đổi từ 0 đến vDS

- điện áp so với cực G tăng từ vẹs đến (vGS - vDS)

độ sâu của kênh dẫn sẽ có hình thang : nở rộng tại S và

thu nhỏ tại D

Nếu tiếp tục tăng vụs

« dong dién i, tang

* Vep Sẽ giảm kênh dẫn sẽ tiếp tục bị bóp nhỏ lại ở gần cực D > điện trở tăng lên theo

Vps tăng đến giá trị mà tai D điện thế giảm đến vạp = Vị, >

độ sau kênh dẫn bằng D sẽ bằng 0 > điểm pinched-off

Tai pinched-off: dòng điện hầu như không tăng khi vụs tiếp tục tăng

Trang 12

ip-Vps của e-NMOS khi vẹs > V,

tp

I<— Triode cee Saturation —————>-

ts < ves — Vi ups = ves — Vi

Curve bends because the channel resistance

increases with wps5

Sy Current saturates because the channel is pinched off at the

drain end, and vps no longer

affects the channel

Almost a straight line

with slope proportional

to (vgs — V,) tes > V,

0 Đpssu = Yas — Vr Ups

Trang 13

Chế độ làm việc của MOSFET

._ Kênh dẫn chỉ hình thành khi vạs > Vị,

- Khi vps < (Ves-V,) > dòng điện ip tỉ lệ thuận với vps và vạs >

vùng điện trở điều khiển (hay vùng triode)

- Khi vs > (vas-V,) dòng điện không tăng khi vp„ tăng - vùng bão hòa ( Ups = vas — V, — esos Ups Source Channel Drain L

Độ sâu của kênh dẫn khi Veg = const, va Vpg tang

Transistor hiéu ting trường ,

Nguyễn Quốc Cường 3

Trang 14

Dòng điện ip «_ Khi vs < Vị dòng ïp > 0 (vùng cut-off) « Khi vẹs > V,,, dòng điện i; được tính theo công thức i, =k, TS —V,)Vps — ; v3 ( vung triode ) 1,.W ung bão hòa in = 5Kn 7 (Ves Me) (vùng ) k„: tham số hỗ dẫn quá trình (phụ thuộc vào công nghệ sản xuất MOSFET) (đơn vị : A/V2) W: chiều rộng kênh dẫn

L: chiều dài kênh dẫn

WIL : tis6é hinh dang cla MOSFET (aspect ratio)

(Với công nghệ của năm 2003, L,,,, = 0.13m, W„„, = 0.16m, bề dày lớp oxide

Trang 15

MOSFET kênh P (PMOS)

„ Chế tạo trên một đế bán dẫn kiểu n, cực D và S là các vùng p+ «_ Thiết bị hoạt động giống như NMOS, ngoại trừ rằng vạs và Vps có giá trị âm „_ Điện áp ngưỡng V, cũng có gía trị âm „ Dòng điện vào từ S ra ở D

Trang 16

CMOS « _ Được sử dụng nhiều trong công nghệ chế tạo IC (cả tương tự và số)

Trang 17

Ký hiệu NMOS =—] | _ op Lo TL | (a) (b) (c) Ký hiệu NMOS

._ Một kiểu ký hiệu khác cla NMOS

c Ký hiệu rút gọn trong trường hợp cực B (body) được nối với S hoặc trong trường hợp hiệu ứng của Body là nhỏ có thể bỏ qua

Trang 18

Ký hiệu PMOS on n § ọ cop on = oe ft on oof (a) (b) a Ký hiệu PMOS

b Một cách ký hiệu khác của PMOS

c Trong trường hợp B nối với S

Trang 19

Đường cong đặc tính ip - Vps ip (mA) ig =0 in} + 4 oa == ups Gs “SE” piss io es (a) Ups (V) ugs = V, (cutoff)

Trang 20

mô hình tín hiệu lớn của NMOS trong vùng bão hòa

ig =0 — <_ ip D sy

Transistor hiéu ứng trường a

Trang 21

Hiệu ứng thay đổi chiều dài kênh dẫn

(channel-length modulation)

„_ Khi vọs tăng lớn hơn vps„a; (=ves-V,) thì điểm pinched-off có xu hướng dịch ra xa D > giảm chiều dài kênh dẫn

Trang 22

2 1, W 2 ip = 5 Knap (as -V,) 1,.W 1 2 = 3k Daca Mes Nếu coi (AL/L << 1) ta có 1,.W AL 2 M1 (vee -v,) Nếu giả thiết AL tỉ lệ tuyến tính với vụs, AL/L=Àvps 8 1,.W

i, = 5k 7 Wes -v,y (1+ AVp5)

À : là một tham số quá trình (đơn vị V-1)

Trang 23

Đặc tính ip-vps và ảnh hưởng của Vps

Transistor hiệu ứng trường ;

Định dạng
Số trang	23
Dung lượng	1,9 MB