• Điện trở của MOSFET phụ thuộc vào một số yếu tố liên quan đến tính chất vật lý của MOSFET, chẳng hạn như hình dáng củanó.
• Giá trị tiêu biểu cho phạm vi trở kháng từ vài milliohms cho các thành phần MOSFET rời rạc đến vài kΩ cho MOSFE trong công nghệVLSI.
• Chúng ta hãy xem nhanh cấu trúc vật lý của MOSFET để có được cái nhìn sâu sắc về mối quan hệ giữa trở kháng và hình dạng của chúng. MOSFE được xây dựng thông qua một số bước chế tạo trên bề mặt của một tấm phẳng bằng silicon đơntinh thể được gọi là mộtlát (wafer).
• Hình 6.32 cho thấy nhìn từ trên xuống của một số MOSFET hình chữ nhật được chế tạo trên bề mặt silicon phẳng. Một lát có thể có đường kính hàng chục cm, và MOSFET thông thường có thể chiếm một diện tích nhỏ hơn một micromet vuông. Một micromet là 10-
6mét. Một micromet (μm) cũng được gọi là micron (μ). Các bước chế tạo dẫn đến việc xây dựng một số lớp phẳng được kẹp trên bề mặt wafer. Các lớp có thể tạo thành các lớp cách điện được tạo thành từ silicon dioxide (SiO2) được tạo ra bằng cách oxy hóa các phần của bề mặt wafer, cáclớp dẫn baogồm cáclớp kim loại như nhômhoặc đồng, hoặcsilic đatinh thể (poly) và các lớp bán dẫn bao gồm silicon pha tạp với các vật liệu có nồng độ electron hoặc lỗ trống tự do cao. (Một lỗ là một nguyêntố tích điện dươngvà bao gồm mộtnguyên tử bị thiếu electron.)
6.7 CẤU TRÚC VẬT LÝ CỦA MOSFET
6.7 CẤU TRÚC VẬT LÝ CỦA MOSFET
• Sự pha tạp được thực hiện bằng cách khuếch tán hoặc cấy ion. Tính dẫn giữa các lớp được chia tách bới các lớp cách ly. Việc kết nối giữa các lớp chia tách bởi vật liệu dẫn được tạo ra bằng cách ăn mòn và '' đúc '' kim loại qua các lỗ tiếp xúc.
• Silicon pha tạp với một vật liệu giàu electron được gọi là chất bán dẫn loại n. Tương tự, silicon pha tạp với một vật liệu giàu lỗ được gọi là chất bán dẫn loại p. Như vậy từ "chất bán dẫn " ngụ ý rằng, silicon được pha tạp với hoặc vật liệu loại n hoặc loại p là một chất dẫn điện khá tốt.
• Chúng ta sử dụng ký hiệu n + hoặc p + để chỉ silicon được pha tạp nhiều với vật liệu loại n hoặc loại p, tương ứng. Các chất bán dẫn loại n + hoặc p + thậm chí còn dẫn điện tốt hơn.
• Chúng ta thường gọi các khu vực silicon pha tạp loại n hoặc loại p là vùng khuếch tán. Hình 6.33 và 6.34 cho thấy bản phác thảo của hai cấu trúc vật lý MOSFET kênh n. Một MOSFET kênh n được xây dựng trên bề mặt của silicon loại p được gọi là chất nền. Hai vùng pha tạp n + cách nhau bởi một khoảng cách nhỏ (ví dụ:
0.07μ trong các thiết bị kỹ thuật số và lớn hơn một chút trong ứng dụng tương tự) tạo thành cực nguồn và cực máng
6.7 CẤU TRÚC VẬT LÝ CỦA MOSFET
6.7 CẤU TRÚC VẬT LÝ CỦA MOSFET
• Vùng tách biệt cực nguồn và cực máng được gọi là vùng kênh. Vùng kênh được phủ một lớp cách điện mỏng (ví dụ, dày 0.01μm) được tạo ra bởi silicon dioxide (thường được gọi là oxit cổng). Lớp oxit cổng nằm kẹp giữa một lớp polysilicon trên cùng và chất nền loại p. Lớp polysilicon trên cùng của oxit cổng tạo thành cổng của MOSFET.
• Mặc dù các cơ chế chính xác về cách thức hoạt động của MOSFET vượt ra ngoài phạm vi của cuộc thảo luận này, tuy nhiên sau đây cung cấp một số trực giác về hoạt động của nó.
• Đầu tiên, nhớ lại rằng silicon n + -type dẫn thông qua chuyển động của electrons tự do của nó. Chúng ta hãy xem xét trường hợp cực cổng và cực nguồn của MOSFET được kết nối với đất, như được minh họa trong Hình 6.35. Trong tình huống này, υGS= 0. Bởi vì cực nguồn pha tạp n + và cực máng được phân tách bằng một lớp loại p, chúng sẽ không dẫn bất kỳ dòng điện nào khi một điện áp được đặt trên chúng (υDS>0).
6.7 CẤU TRÚC VẬT LÝ CỦA MOSFET
6.7 CẤU TRÚC VẬT LÝ CỦA MOSFET
• Tuy nhiên, khi một điện áp dương được đặt ở cổng của thiết bị (υGS>0), điện tích âm được hút đến bề mặt từ vùng nguồn giàu điện áp âm (như trong Hình 6.36) và các điện tích dương là đẩy lùi khỏi bề mặt. Tất nhiên, không có dòng chảy giữa cổng và chất nền vì lớp oxit cổng cách điện. Như vậy điện áp cổng tăng, nhiều điện tích âm được thu hút lên bề mặt cho đến khi chúng hình thành một kênh dẫn loại n kết nối cực nguồn và cực máng. Kênh dẫn hình thành khi điện áp cổng vượt qua điện áp ngưỡng VT(nói cách khác, υGS> VT). Một dòng điện bắt đầu chảy giữa cực máng và cực nguồn khi điện áp dương được đặt trên cực máng và cực nguồn (υDS> 0).
• MOSFET trong ví dụ của chúng ta được gọi là thiết bị kênh n bởi vì kênh loại n được hình thành. Dễ dàng thấy rằng MOSFET hoạt động giống như một công tắc được kết nối với nguồn và máng bật khi điện áp cổng vượt quá ngưỡng.
6.7 CẤU TRÚC VẬT LÝ CỦA MOSFET
6.7 CẤU TRÚC VẬT LÝ CỦA MOSFET
• Hình 6.37 cho thấy cách kết nối kim loại được thực hiện với các đầu cuối MOSFET G, S và D để MOSFET có thể được ghép nối với các thiết bị khác. Như thể hiện trong Hình, các lớp kim loại được phân tách bằng các lớp oxit (độ dày là không theo tỷ lệ), vì vậy kim loại không vô tình tiếp xúc với các bộ phận khác của thiết bị. Các lỗ tiếp xúc được đúc giữa các cặp lớp giữa các kết nối mong muốn (giống như một cái ghim) và kim loại được phép chảy xuyên qua.
• Tính dẫn kênh n đó được hình thành trong MOSFET được thảo luận ở đây không phải là một dây dẫn lý tưởng và có một số điện trở RON. Cũng lưu ý rằng điện trở của cổng có liên quan đến hình dạng của kênh. Cho kênh chiều dài là L và chiều rộng kênh là W. Thì, điện trở tỷ lệ thuận với L / W. Nếu Rn là điện trở trên mỗi ô vuông của MOSFET kênh n ở trạng thái bật, thì điện trở của kênh được đưa ra bởi
6.7 CẤU TRÚC VẬT LÝ CỦA MOSFET
• Trong bất kỳ công nghệ VLSI nào, có một giá trị tối ưu cho chiều dài kênh MOSFET . Rõ ràng, kích thước nhỏ hơn có nghĩa là chip VLSI đã cho kích thước có thể chứa nhiều logic hơn. Như chúng ta sẽ thấy sau, kích thước nhỏ hơn cũng dẫn đến tốc độ hoạt động cao hơn. Các công nghệ VLSI được đặc trưng bởi độ dài kênh tối ưu này. Ví dụ, quá trình 0.2μm mang lại độ dài cổng trong vùng lân cận L = 0.2μm
• Trong lịch sử, các nhà công nghệ đã có thể giảm các độ dài cổng theo bảng Bảng 6.2