Transistor trong mạch ic 8461

TRANSISTOR TRONG MẠCH IC Biên soạn: TS Lê Tuấn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 05/18/16 Đại học Bách khoa Hà Nội TRANSISTOR LƯỠNG CỰC Kiến thức sở transistor lưỡng cực • Cấu trúc: giống hai diode p-n nối xoay đầu vào E B C n p n E B C p n p • transistor n-p-n transistor p-n-p Chế độ điện áp VBC Vùng tích cực ngược (Reverse active) Vùng bão hòa (Saturation) VBE Vùng cắt Cut-off 05/18/16 Vùng tích cực thuận (Forward active) Đại học Bách khoa Hà Nội Transistor lưỡng cực chế độ tích cực thuận • Giản đồ lượng 05/18/16 • Các thành phần dòng điện Đại học Bách khoa Hà Nội • Ví dụ với transistor lưỡng cực p-n-p chế độ điện áp thuận 05/18/16 Đại học Bách khoa Hà Nội Profile phân bố tạp chất transistor lưỡng cực • Cấu trúc thực tế transistor lưỡng cực đơn (a) planar mạch IC (b) • Profile phân bố tạp chất transistor - Emitter cấy ion - Transistor nhiều emitter 05/18/16 Đại học Bách khoa Hà Nội Sự co hẹp bề rộng vùng cấm • Đối với bán dẫn pha tạp mạnh, lượng hiệu dụng ion hóa tạp chất giảm giá trị Đối với bán dẫn loại n  Nd  ∆E g ( N d ) = 18.7 ln  meV for N d ≥ ×1017 cm −3 17 ÷  × 10  ∆E g ( N d ) = for N a < ×1017 cm −3 Đối với bán dẫn loại p    N  N  ∆Eg ( N a ) = ln  17a ÷+  ln  17a   10    10  ∆Eg ( N a ) = for N a < 1017 cm −3 •    17 −3 ÷÷ + 0.5  meV for N a ≥ 10 cm   Nồng độ hiệu dụng hạt tải  E g − ∆E g n = p0 n0 = N c N v exp  − kT  ie 05/18/16   ∆E g  ÷ = ni exp  ÷   kT  Đại học Bách khoa Hà Nội Dòng collector IC J n = − qn p µn ; qn p µ n dφn dx d (φ p − φn ) ¬ dx nie2 d  n p p p  = qDn  ÷ p p dx  nie2  Jn ∫ WB dφ p dx ; kT  n p p p  ¬ φ p − φn = ln  ÷ q  nie2   np p p   np pp  dx = −     qDn nie2 n  ie  x =WB  nie  x =0 pp n p (0) p p (0) ; JC = ∫ nie2 (0) q pp WB I C = AE J C = Dn nie2 ∫ WB 05/18/16  qV  exp  BE ÷  kT   qV  exp  BE ÷  kT  dx qAE pp Dn nie2  qV  exp  BE ÷  kT  dx p p (0) ; p p (0)  qV n p (0) = n p (0) exp  BE  kT  ÷? n p (0)  qDn nie2  qV  JC ; exp  BE ÷ N aBWB  kT  for uniform base doping → electron current for a n-p diode Đại học Bách khoa Hà Nội Dòng collector IC (tiếp) • Mật độ dòng collector bão hòa JC ≡ ∫ WB • q pp DnB nieB  qV  , J C = J C exp  BE ÷  kT  dx JC = ∫ WB q pp Dn nie2  qV  exp  BE ÷  kT  dx Số sở Gummel GB ≡ ∫ WB ni2 p p qni2  qVBE  dx , J = exp C  ÷ nieB Dn GB  kT   theo de Graaff Tất thông tin vùng cực gốc phải có mặt GB Do đó, dòng collector hàm số thông số vùng cực gốc Một cách định nghĩa khác số sở Gummel W GB ≡ B ∫p p dx , 05/18/16 qDnB nieB  qV  JC = exp BE  GB  kT  Đại học Bách khoa Hà Nội  theo Gummel 10 Biểu thức Ids (tiếp) I ds = µ eff Cox W L W = µ eff Cox L [  3 Vds  2ε Si qN a − ( 2ψ ) ( ) V − V − ψ − V − ψ + V    g fb B ds B ds B  Cox   Vds  2ε Si qN a V − V − ψ − V −    g fb B ds  Cox   4ε Si qN aψ B W  = µ eff Cox  Vg − V fb − 2ψ B − L  Cox  Điện ngưỡng: Vt = V fb + 2ψ B +  3    2ψ B Vds + Vds  2  ψ B    ε Si qN a   4ψ B Vds − 1 +  2 Cox      ε Si qN a   4ψ B W = µ eff Cox (Vg − Vt )Vds − 1 + L 2 Cox    ]     V   ds          V   ds      Q Q (Q = ) 4ε Si qN aψ B = V fb + 2ψ B + d = V fb + 2ψ B + s i Cox Cox Cox Ghi chú: Trong biến đổi ta sử dụng phân tích hàm số thành chuỗi Taylor lân cận x=0 đến bậc 2: 3 −1 d n f ( 0) n 3 ; ( 2ψ ) + 2V + 2V ( ) ( ) ( ) f ( x) = ∑ x ⇒ ψ + V ψ ψ B ds B B ds B ds n n ! dx n 05/18/16 Đại học Bách khoa Hà Nội 36 Dòng máng Ids vùng tuyến tính bão hòa Vùng tuyến tính (Vds nhỏ): I ds ≅ µ eff Cox W (Vg − Vt )Vds L Log (IDS) Do Vds Vt for inversion charge to be induced Qi (V ) = −Cox (Vg − V fb − 2ψ B − V ) + 2ε si qN a (2ψ B + V ) = −Cox (Vg − V fb − 2ψ B − V ) + 2ε si qN a 2ψ B (1 + ; −Cox (Vg − V fb − 2ψ B − V ) + 4ε si qN aψ B (1 + V ) 2ψ B V ) 4ψ B  4ε si qN aψ B  = −Cox  Vg − V fb − 2ψ B − − 1 +  C  Cox ox   = −Cox (Vg − Vt − mV ) Cox ε si qN a 4ψ B   V ÷ ÷ ÷ ÷   ⇒ Vg > Vt + mV for inversion charge to be induced m = 1+ I ds = µeff 05/18/16 W L ε si qN a / 4ψ B C 3t = + dm ; + ox Cox Cox xdm Vds ∫ ( −Q (V ) ) dV Đại học Bách khoa Hà Nội i 40 MOSFET chế độ hoạt động khác Vùng tuyến tính Vùng bão hòa (Vds >Vdsat) Bắt đầu bão hòa ∫ L' I ds dy = µeff W ∫ Vdsat ( −Qi (V ) ) dV W Vdsat ( −Qi (V ) ) dV ∫ L' W (Vg − Vt ) = µeff Cox L '(Vds ) 2m I ds = µeff 05/18/16 Đại học Bách khoa Hà Nội 41 Phân bố V(y) Qi(y) dọc theo kênh dẫn V m   I ds y = µ eff W ∫ [ − Qi (V )]dV = µ eff CoxW (Vg − Vt )V − V    Thay biểu thức Ids, ta có: V ( y) = Vg − Vt m  Vg − Vt  y  Vg − Vt  y  −  Vds + Vds2 −  L m  L  m  ⇒ V ↑ y ↑ Qi ( y ) = −Cox (Vg − Vt − mV ( y ))  Qi ( y )  Vg − Vt = − − V ( y) ÷ mCox  m  V Qi ↓ y ↑, I ds = const y ↑ Gần kênh biến đổi không xác 05/18/16 Đại học Bách khoa Hà Nội 42 Dòng máng với giá trị Vdsat xác Tại Vdsat = Vg − Vt m I ds ; µeff Cox W m 2 V − V V − Vds ( ) g t ds L   tiến tới giá trị cực đại  Ta sử dụng phép gần Một cách xác, Vdsat giá trị điện V cho điện tích lớp đảo Qi = Qi = = −Cox (Vg − V fb − 2ψ B − Vdsat ) + 2ε si qN a (2ψ B + Vdsat ) Vdsat = Vg − V fb − 2ψ B + ε Si qN a 2ε Si qN a − Cox2 Cox2  ε Si qN a   Vg − V fb + ÷ 2 C ox     Vdsat   Vg − V fb − 2ψ B − ÷Vdsat    W  I ds = µeff Cox   L  2ε si qN a 3/ 3/ ( 2ψ B + Vdsat ) − ( 2ψ B )   −    Cox  05/18/16 Đại học Bách khoa Hà Nội 43 Dòng điện máng ngưỡng Vds 2kTN a E ( x, y ) = ε si 2  − qψ / kT qψ  ni + − 1÷+  e kT   Na    qψ −QS = ε Si ES = 2ε Si kTN a  exp  − S  kT  qψ    − qV / kT − qψ / kT e e − −  ÷ kT    ( )  n   qψ S  qψ S  qV   + −  exp  − ÷+ ÷ exp  ÷ kT  kT     kT  N  i a 12   qψ S   ÷− 1÷− kT ÷     12 ;  qψ S ni2  q (ψ S − V )   2ε Si kTN a  + exp  ÷ Na kT    kT for weak inversion ε Si qN a  kT  ni2  q (ψ S − V )  −Qi = exp  ÷  ÷ 2ψ S  q  N a2 kT   05/18/16 Đại học Bách khoa Hà Nội 44 Dòng điện máng ngưỡng (tiếp) Biểu thức dòng máng ngưỡng trở thành: I ds = µeff W L Vg = Vt + m(ψ S − 2ψ B ) Vds ∫ ( −Q (V ) ) dV i W = µeff L ε Si qN a  kT   ni   qψ S exp ÷  ÷  2ψ S  q   N a   kT   −qVds − exp ÷    kT  ÷÷  W = µeff L  q (Vg − Vt )   ε Si qN a  kT   −qVds exp − exp  ÷  ÷  kT 4ψ B  q    mkT    ÷÷  2  q(Vg − Vt )    kT  W  −qVds = µeff Cox (m − 1)  exp − exp  ÷ ÷  kT L   q   mkT    ÷÷  Độ dốc dòng máng ngưỡng 05/18/16 Đại học Bách khoa Hà Nội Log (IDS) −1   ln I ds   −1  d  ln10 ÷÷  d ( log10 I ds )    ÷ = 2.3 mkT = 2.3 kT 1 + Cdm   S = = ÷  ÷  ÷ dV dV q q C  ÷ g g ox      ÷    C  ; 60mV × 1 + dm ÷ at T=300K  Cox  45 Ảnh hưởng đế (Body effect) Mật độ điện tích lớp đảo bị ảnh hưởng điện đế V B: Khi VB = Qi = −Cox (Vg − V fb − 2ψ B − V ) + 2ε Si qN a ( 2ψ B + V ) Khi VB > Qi = −Cox (Vg + Vbs − V fb − 2ψ B − V ) + 2ε Si qN a ( 2ψ B + V ) Vox Qdm Để hiểu rõ chất vật lý, xét vùng cực nguồn (source region), Khi VB = 0, V ( source) = : Qi = −Cox (Vg − V fb − 2ψ B ) + 2ε Si qN a ( 2ψ B ) Khi VB > 0, V ( source) = Vbs : Qi = −Cox (Vg − V fb − 2ψ B ) + 2ε Si qN a ( 2ψ B + Vbs ) Vox không đổi, Qdm tăng có Vbs 05/18/16 Đại học Bách khoa Hà Nội 46 Ảnh hưởng đế (Body effect)-(tiếp) Dòng máng: I ds = µeff W L Vds ∫ ( −Q (V ) ) dV Vbs W = µeff Cox L i  V  Vg − V fb − 2ψ B − ds  2ε si qN a  3/ 3/   ( 2ψ B + Vbs + Vds ) − ( 2ψ B + Vbs )   ÷Vds −  Cox   Điện áp ngưỡng: Vt = V fb + 2ψ B + 2ε si qN a ( 2ψ B + Vbs ) Cox ε si qN a / ( 2ψ B + Vbs ) dVt = dVbs Cox  Điện đế có gây ảnh hưởng rõ rệt 05/18/16 Đại học Bách khoa Hà Nội 47 Sự phụ thuộc nhiệt độ Vt For nMOS with m+ poly gate, V fb = − Eg / q −ψ B ∴Vt = − Eg 2q +ψ B + 4ε si qN aψ B Cox ψB = dVt dEg dψ B =− + (2m − 1) dT 2q dT dT k   N C NV = −(2m − 1) ln  q   N a  Na kT  N a  kT  ln  ln  ÷= q  ni  q  N C N C e − Eg / kT  ÷ ÷    m − dEg ÷+  + ÷ 2 q dT   Example) dEg dT ≈ -2.7 ×10-4 eV/K for Si dVt : −1mV / K dT dVt N a : 1018 cm −3 , m ; 1.3 ⇒ : −0.7mV / K dT ⇒ 55-75 mV lowered when T increased to 100C N a : 1016 cm −3 , m ; 1.1 ⇒ 05/18/16 Đại học Bách khoa Hà Nội 48 Độ linh động hạt tải điện kênh dẫn Electron µeff ∫ = xi µ n n( x )dx ∫ Hole xi n( x)dx   Eeff =  | Qd | + | Qi | ÷ ε Si   05/18/16 µeff ∫ = xi ∫ µ p p( x )dx xi p( x)dx Đại học Bách khoa Hà Nội Eeff =   | Q | + | Q | d i ÷ ε Si   49 Hiệu ứng hạ thấp rào dòng máng (Drain Induced Barrier Lowering – DIBL) • • Rào nguồn – máng bị hạ thấp MOSFET kênh ngắn (SCD) Tác dụng điện cực máng nhận rõ SCD  Vt phụ thuộc mạnh vào Vds SCD  Đối với trường hợp cực điểm, Vg không tác dụng  chế độ ‘punchthrough’ 05/18/16 Đại học Bách khoa Hà Nội 50 [...]... trống sinh ra trong quá trình đánh thủng thác lũ thoát ra qua vùng base  Dòng hiệu dụng base giảm đi  Đối với đánh thủng thác lũ rất mạnh, dòng lỗ trống sinh ra do đánh thủng thác lũ trở nên lớn hơn dòng base bình thường  chiều của dòng base thay đổi ngược lại 05/18/16 Đại học Bách khoa Hà Nội 24 Cấu trúc transistor lưỡng cực hiện đại Poly Emitter Base Silicide Extrinsic Base Collector Silicide SiGe... (SIC) Buried Subcollector Deep Trench 05/18/16 Đại học Bách khoa Hà Nội 25 Ảnh SEM mặt cắt ngang của transistor lưỡng cực hiện đại C B E STI SiGe base DT 05/18/16 Đại học Bách khoa Hà Nội 26 SiGe Heterojunction Bipolar Transistor (HBT) eEC Si Emitter SiGe Base Si Collector EV • Điện trường trong vùng base (30~50 kV/cm) – Thời gian đi qua vùng base giảm  cải thiện tốc độ làm việc • Tăng nồng độ ni trong. .. ngoại suy của IC  Giá trị VA càng nhỏ thì hiệu ứng Early càng mạnh −1 VA + VCE  ∂I C  = IC  ÷ ∂ V  CE  −1 Q pB  ∂I C  VA ; I C  ÷ ; ∂ V CdBC  CE  2 qDnB (WB )nieB (WB ) WB N B ( x) ; dx 2 ∫ 0 CdBC DnB ( x)nieB ( x) 05/18/16 Đại học Bách khoa Hà Nội 15 Dòng collector ở mức tiêm hạt dẫn cao • Ở mức tiêm hạt dẫn cao vào vùng base mật độ dòng JC giảm đi • – Nồng độ lỗ trống tăng trong vùng base... nối qua điện trở tới emitter Đánh thủng transistor 05/18/16 Đại học Bách khoa Hà Nội 20 Thế đánh thủng C-E BVCEO V CE + + - ξ=β VCE V CE + BVCE BVCER BVCES - BVCBO = ξ 1/ n đối với ξ =1 đối với 05/18/16 Ion hóa do va chạm RS IBA IBF đối với BVCEO 1 ≤ ξ ≤ β 1/ n BVCER BVCES - RB n Đại học Bách khoa Hà Nội p ICA n 21 Hệ số đánh thủng thác lũ M (Avalanche Multiplication Factor) Emitter chung Base chung... làm việc • Tăng nồng độ ni trong vùng base – Làm tăng IC  tăng hệ số khuếch đại dòng điện  Cho phép pha tạp vùng base cao hơn  giảm RB/ giảm NFmin hay giảm WB 05/18/16 Đại học Bách khoa Hà Nội 27 375 GHz SiGe HBT 1e+0 400 AE=0.12x2.5µm 2 Ic, Ib (A) fT 200 1e-4 1e-6 1e-8 nC=1.05 nB=1.08 1e-10 fmax 100 1e-12 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Vbe (V) 12 0 0.1 1 Ic (mA) 10 Ib=3uA step 100 10 8 • Tần số cắt dòng fT=375GHz... α0 = = ∂J n (WB + WdBC ) ∂ ( J n (0) + J p (0) ) α0 1 − α0 ∂J n (0) ∂J n (WB ) ∂J n (WB + WdBC ) ∂J n (WB ) ∂ ( J n (0) + J p (0) ) ∂J n (0) = γαT M γ : emitter injection efficiency αT : base transport factor M : avalanche multiplication factor 05/18/16 Đại học Bách khoa Hà Nội 22 Quan hệ giữa BVCEO và BVCBO For reverse-biased diode, M (V ) = 1 1 − ( V / BV ) m For reverse-biased B-C diode M (VCB ) =... (giả thiết cả base và emitter được pha tạp đồng đều và các dòng tiêm không đáng kể) β0 ≡ ∂I C I C GE = = ∂I B I B GB 0 = • Hệ số khuếch đại dòng base tổng cộng: α0 ≡ 05/18/16 ∂I C I IC β0 =− C = = ∂ (− I E ) I E I B + IC 1 + β0 Đại học Bách khoa Hà Nội ∫ −WE WB nn dx 2 D pE nieE pp ∫0 DnB nieB2 dx E 2 nieB D N W = 2 nB dE E nieE D pE N aBWB 12 Các đặc trưng một chiều • Đồ thị giá trị các số Gummel... electron Đại học Bách khoa Hà Nội 18 Dòng dò base • Dòng base gây ra bởi các quá trình phát sinh – tái hợp (G – R) – Dòng G-R do các tâm sai hỏng khối trong Si được bỏ qua – Dòng G-R gây ra bởi các bẫy trên mặt phân cách của chuyển tiếp là đáng kể – Nếu trong số bẫy bề mặt còn gồm có các tâm ở vùng chuyển tiếp E-B, dòng base tỷ lệ theo IB ~ exp(qVBE/2kT) • Dòng base gây ra bởi các quá trình tunnel –... trở nối tiếp vùng emitter và base rb = rbx + rbi rc = rc1 + rc 2 + rc 3 • Sự thay đổi hiệu điện thế đặt vào chuyển tiếp emitter – base VBE do điện trở nối tiếp (VBE ảnh hưởng lớn tới đặc tuyến ra IC – VCB của transistor) ∆VBE = − I E re + I B rb ; I C re + I B ( re + rb ) ' VBE = VBE − ∆VBE Các biểu thức có chứa VBE đều phải thay bằng V’BE: - Đối với dòng base, thay đổi thừa số - Đối với dòng base, thay... 1 Ic (mA) 10 Ib=3uA step 100 10 8 • Tần số cắt dòng fT=375GHz (fT: tần số khi hệ số khuếch đại dòng điện bằng 1) • Tần số cắt công suất fmax=210GHz (fmax: tần số khi hệ số khuếch đại công suất bằng 1) Ic( m A) fT , fmax (GHz) 1e-2 VCB=0.5V 300 AE=0.12x2.5um 2 6 4 2 0 0 05/18/16 Đại học Bách khoa Hà Nội 0.5 1 Vce (V) 1.5 2 28 So sánh với các linh kiện RF khác 600 fT (GHz) 500 400 III-V HEMT 300 III-V