Đang tải... (xem toàn văn)
Bài giảng Dụng cụ bán dẫn: Chương 7 - MOSFET. Chương này trình bày những nội dung chính sau: Giới thiệu, khảo sát định tính hoạt động của MOSFET, tụ điện MOS, hoạt động của MOSFET, một số đặc tính không lý tưởng. Mời các bạn cùng tham khảo.
ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐT BMĐT GVPT: Hồ Trung Mỹ Môn học: Dụng cụ bán dẫn Chương MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) MOSFET • • • • • • • Giới thiệu Khảo sát định tính hoạt động MOSFET Tụ điện MOS Hoạt động MOSFET Một số đặc tính khơng lý tưởng Mạch tương đương tín hiệu nhỏ Giới thiệu số ứng dụng MOSFET Các loại FET (1/2) Các loại FET (2/2) kênh p JFET (chế độ nghèo) kênh n giàu • FET kênh p MOSFET kênh n nghèo giàu nghèo • giàu=enhancement • nghèo=depletion • MESFET có chế độ giàu nghèo MOSFET MOSFET – Cơ Giới thiệu • Trên 99% IC chế tạo MOSFET, thí dụ như: nhớ ROM, RAM, vi xử lý, ASIC nhiều IC chức khác • Vào năm 2000, 106 MOSFET/người/năm chế tạo • MOSFET có thành phần kim loại (M=Metal), lớp cách điện SiO2 (O=Oxide), bán dẫn (S=semiconductor) • Các tên gọi khác MOSFET MISFET (Metal-InsulatorSemiconductor), IGFET (Insulated Gate FET) • Ngun tắc hoạt động FET dịng hạt dẫn từ nguồn điện máng điều khiển điện áp cổng hay điện trường cổng Điện trường làm cảm ứng điện tích bán dẫn giao tiếp bán dẫn-oxide Cấu trúc MOSFET (loại giàu) Si • Kênh điện tử (loại N) • Kênh lỗ (loại P) cảm cảm ứng bán dẫn P điện tích dương cổng • Gọi tắt N-EMOS (MOSFET loại giàu kênh N) ứng bán dẫn N điện tích âm cổng • Gọi tắt P-EMOS (MOSFET loại giàu kênh P) Khảo sát định tính hoạt động MOSFET • Ta thấy rõ tất FET (JFET, MESFET MOSFET) có đặc tuyến tương tự Ta bàn MOSFET loại giàu kênh N (N-EMOS) • Ta phân biệt chế độ điện áp khác cho VDS, cụ thể (1) VDS = 0, (2) VDS > 0, (3) VDS >> (1) VDS nhỏ (VDS ≈ 0) • VGS = Trong trường hợp này, khơng có dịng DS Tại sao? Bởi ta có tiếp xúc n+pn+, nghĩa diode mắc đâu lưng nhau, ngược chiều nên ngăn dịng điện DS • VGS > Ta có điện áp cổng dương Đây chế độ nghèo Các lỗ bán dẫn bị đẩy xuống điện tích dương cổng Bán dẫn bị nghèo hạt dẫn tự miền nghèo tạo • VGS >> Ta có điện áp cổng dương Đây chế độ đảo ngược (inversion mode) Các điện tử cảm ứng gần giao tiếp oxide-bán dẫn Có dịng điện tử chạy từ S đến D Độ lớn điện áp cổng định độ lớn dòng điện SD (2) Điện áp DS nhỏ (VDS > 0) VGS >> (chế độ đảo ngược) • Điện trường miền oxide cao đầu nguồn S kênh Như điện tử cảm ứng gần nguồn S • Điện trường miền oxide thấp đầu máng D kênh Như có điện tử cảm ứng gần máng D • Khi tăng điện áp DS có hiệu ứng: ID tăng Các có điện tử đầu máng D kênh ID theo VDS bắt đầu có độ dốc giảm 10 TD: Đặc tuyến I-V N-EMOS 2N7000 / 2N7002 / NDS7002A với VTN=2.1V Đặc tuyến ID=f(VDS) VGS=const Đặc truyền đạt ID=f(VGS) VDS=const 54 MOSFET loại giàu loại nghèo • MOSFET loại giàu (Enhancement MOSFET): Khi MOSFET khơng có kênh dẫn với VG=0, cịn gọi chế độ giàu, ta đặt vào điện áp cổng để tạo nên kênh dẫn (ON) Đây loại MOSFET thường dùng IC • MOSFET loại nghèo (Enhancement MOSFET): Khi MOSFET phải có kênh dẫn với VG=0, gọi chế độ nghèo, ta đặt vào điện áp cổng để làm tắt kênh dẫn (OFF) 55 Các ký hiệu MOSFET P-EMOS N-EMOS P-DMOS N-DMOS 56 Tóm tắt đặc tuyến loại MOSFET 57 Một số đặc tính khơng lý tưởng • Điều chế chiều dài kênh dẫn (Channel-length modulation) • Hiệu ứng thân (Body effect) • Sự bão hịa vận tốc (Velocity saturation) 58 59 60 61 62 63 Một số đặc tính khơng lý tưởng MOSFET (Xét N-EMOS miền bão hòa) • Điều chế chiều dài kênh dẫn: tương tự hiệu ứng Early BJT, tăng VDS điểm nghẹt dịch chuyển miền nguồn, dẫn đến chiều dài kênh dẫn hiệu dụng nhỏ hay dòng ID tăng lên Khi phương trình dịng điện máng có dạng W nCox VGS VTN 1 VDS L với = 1/ VA VA điện áp Early Hiệu ứng thân: tăng VSB làm điện áp ngưỡng VTN tăng ảnh hưởng đặc tuyến I-V Ảnh hưởng nhiệt độ: T tăng VTN độ linh động giảm dòng ID giảm Sự bão hịa vận tốc: kích thước transistor giảm, độ dày làm oxide mỏng vận tốc điện tử bão hịa lúc phương trình dịng ID: ID • • • W I D nCox VGS VTN L với =1 2, tùy theo công nghệ 64 65 66 67 The Field Effect Transistor A more Advanced Look at the n-channel MOS (enhancement type): NMOS These are some of the basis of IC designs W/L is important in Scaling transistor sizes Latest Technology has L = 45 nm 68 ... Hình 7. 7 Điệp áp dải phẳng (Flatband Voltage) Là điện áp đưa vào cổng cho khơng có bẻ cong dải lượng bán dẫn 21 Hình 7. 8: Hiệu số cơng Kim loại -bán dẫn số vật liệu cổng quan trọng dùng dụng cụ. .. Miền bão hịa Hình 7. 2 13 Đặc tuyến ID-VDS với N-EMOS kênh dài (L V G TN • MOSFET kênh dài định nghĩa dụng cụ có độ rộng chiều... đường cong (ii) cho tần số cao 32 Hoạt động N-EMOS 33 Điệp áp ngưỡng tụ MOS lý tưởng • Điện tích tổng cộng dụng cụ MOS (hay dụng cụ nào) zero • Như với trung hịa điện tích cần có: 2D M Q 2D S