L ời nói đầu
1.2.4 Transistor MOSFET
MOSFET (Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) là transistor hiệu ứng trường, đây là thành phần chính và quan trọng nhất trong vi mạch mà chúng tối thiết kế. Cấu tạo, hoạt động của nó như thế nào sẽ được trình chi tiết dưới đây.
10
a. Cấu tạo
Cấu tạo của transistor MOSFET loại NMOS được thể hiện như hình 1.11. Trên một đế bán dẫn loại P có chiều rộng W người ta sẽ tạo ra hai vùng bán dẫn loại n có nồng độ pha tạp rất lớn, lần lượt sẽ trở thành cực nguồn (Source, ký hiệu S) và cực máng (Drain, ký hiệu là D) của transistor. Một lớp oxit silic rất mỏng được phủ lên bề mặt đế tại vị trí giữa cực nguồn và cực máng. Sau đó ngay phía trên lớp oxit sẽ được phủ mộ lớp vật chất có khả năng dẫn điện (có thể là kim loại hoặc polysilicon, ngày nay thường dùng polysilicon). Lớp polysilicon này đóng vai trò là cực cửa (Gate, ký hiệu là G) của transistor. Khi đưa điện áp phân cực hợp lý vào các cực của transistor thì ngay dưới cực cửa sẽ hình thành vùng giàu hạt dẫn (electron đối với transistor loại n và lỗ trống đối với loại P) được gọi là kênh dẫn, kênh dẫn này có bề rộng đúng bằng bề rộng W của lớp đế, và có chiều dài L xấp xỉ khoảng cách giữa hai cực G và S của transistor . Lớp đế thường sử dụng bán dẫn loại P do đặc điểm người ta thường sử dụng NMOS hơn và nối ra cực Bulk (ký hiệu là B) và thường được nối đất. Các điện áp quan trọng thường được sử dụng để phân cực cho transistor: điện áp giữa cực nguồn và cực cửa VGS, điện áp giữa cực máng và cực nguồn VDS, điện áp ngưỡng Vth, điện áp giữa đế và cực nguồn VBS. Tùy thuộc vào giá trị các điện áp phân cực mà transistor sẽ hoạt động ở các chế độ khác nhau.
11
Cấu tạo của PMOS tương tự như NMOS nhưng một lớp bán dẫn loại n sẽ được phủ trên lớp đế loại P để tạo kênh dẫn trước khi tạo ra các cực S và D bằng bán dẫn pha tạ loại P. Kênh dẫn của PMOS có các hạt dẫn là lỗ trống.
Khi chế tạo để giảm kích thước nhưng vẫn đảm bảo về chức năng và kích thước, nâng cao đặc tính của transistor như giảm điện dung giữa các cực, giảm nhiễu…, người ta chia transistor làm nhiều finger (n finger). Khi đó chiều rộng kênh tổng cộng của transistor là n*W. Như vậy có ba tham số về kích thước đặc trưng cho transistor là n, L, W.
b. Các chế độ hoạt động
Đặc điểm của MOSFET là được điều khiển bởi VGS. Vì thế sẽ nghiên cứu hoạt động của MOSFET theo sự biến thiên của VGS.
- VGS = 0, cực nguồn và cực máng bị ngăn cách bởi hai chuyển tiếp P-N liên tiếp, những chuyển tiếp này được tạo ra ở giữa cực nguồn với đế, và giữa đế với cực máng. Giữa cực S và D xuất hiện một điện trở cực lớn, khoảng 1012 Ω, lúc này transistor được coi như đóng.
Hình 1.12: Đồ thị đặc tuyến hoạt động của transistor NMOS [2]
- 0 < VGS < Vth (chế độ đảo ngược yếu): • Điện áp ngưỡng (Vth)
12
Khi đặt điện áp dương vào giữa cực G và S (VGS > 0), giữa bề mắt lớp đế và các cực của transistor xuất hiện một vùng nghèo hạt dẫn như được minh họa ở hình 1.13.
Hình 1.13: Mô hình NMOS khi VGS>0
Khi VGS tăng, thế năng (Ф) tại bề mặt tiếp giáp giữa lớp đế và cực cửa cũng tăng lên, bề dày của vùng nghèo điện tích tăng lên. Khi thế năng này bằng 2 lần năng lượng Fermi (Фf) xảy ra hiện tượng đảo ngược (Inversion).
Ф𝑓 = 𝑘𝑇𝑞 ln�𝑁𝑛𝐴
𝑖� (1.2)
Trong đó k là hằng số Boltmann, NA là nồng độ hạt dẫn của lớp đế, ni nồng độ hạt dẫn của bán dẫn silic thuần.
Khi xảy ra hiện tượng đảo ngược là lúc bắt đầu xuất hiện các electron ở ngay phía dưới lớp SiO2 tạo nên một lớp hạt dẫn liên tục từ cực D sang S lúc này kênh dẫn được hình thành. Điện áp VGS yêu cầu để tạo ra hiện tượng đảo ngược, người ta gọi là điện áp ngưỡng (Vth). Khi xét tới ảnh hưởng của điện áp đặt lên đế ta có thể xác định giá trị Vth như sau: [2]
𝑉𝑡ℎ =𝑉𝑡ℎ𝑜+𝛾 ��2Ф𝑓+ 𝑉𝐵𝑆− �2Ф𝑓� (1.3)
Vtho là điện áp ngưỡng khi Vbs=0, chỉ phụ thuộc vào bản chất kim loại và silic, không phụ thuộc vào kích thước transistor.
13 𝛾 =𝐶1
𝑜𝑥�2𝑞𝜀𝑁𝐴 (1.4)
Trong đó Cox là điện dung lớp oxide.
Việc xác định được giá trị của Vth có ý nghĩa rất lớn trong việc xác định giá trị các điện áp phân cực cho transistor. Theo phương trình(1.3) muốn thay đổi giá trị của Vth ta chỉ có thể biến đổi giá trị của VBS.
• Chế độ đảo ngược yếu:
Thực tế thì khi VGS < Vth vẫn có dòng điện chạy qua transistor nếu như VDS
không quá bé (VDS > 200mV). Chế độ làm việc này được gọi là đảo ngược yếu. Khi đó dòng ID sẽ biến thiên theo hàm mũ của VGS:
𝐼𝐷 =𝐼𝑂 exp�𝑛𝑉𝑉𝐺𝑆
𝑇� (1.5)
Trong đó VTlà điện áp nhiệt :
𝑉𝑇 = 𝐾𝑇𝑞 (1.6)
n là hệ số phụ thuộc công nghệ.
Trong chế độ này dòng điện ID phụ thuộc hàm mũ theo VGS. Vì thế nếu phân cực cho transistor ở chế độ này và đưa tín hiệu vào ở cực G của transistor ta có thể có có đặc tuyến làm việc giống như diode với dòng ID nhỏ tiêu tốn ít năng lượng.
- VGS > Vth (chế độ đảo mạnh)
• 0 < VDS < VGS – Vth (chế độ tuyến tính)
Khi VGS > 0 kênh dẫn hình thành nhưng nếu VDS = 0 thì vẫn chưa có dòng điện chạy qua transistor do chưa có điện trường kéo điện tử từ S sang D tạo thành dòng điện. Khi VDS tăng dần dòng, ID cũng tăng theo quy luật tuyến tính, được xác định như phương trình (1.5). Đây được gọi là vùng làm việc tuyến tính của transistor [2].
𝐼𝐷 =𝜇𝑛𝐶𝑜𝑥𝑊𝐿 (𝑉𝐺𝑆−𝑉𝑡ℎ)𝑉𝐷𝑆 (1.7) • VDS > VGS – Vth (chế độ bão hòa)
Nếu VDS> VGS – Vth và tiếp tục tăng lên nữa thì dòng ID lúc này không tăng lên nữa, nó không còn phục thuộc vào VDS mà chỉ phụ thuộc vào VGS. Lúc này
14
transistor được gọi là làm việc trong chế độ bão hòa. Dòng ID được xác định như phương trình (1.6) [2].
𝐼𝐷 =𝜇𝑛𝐶𝑜𝑥𝑊𝐿 [(𝑉𝐺𝑆−𝑉𝑡ℎ)𝑉𝐷𝑆 −2𝑉𝐷𝑆2 ] (1.8)
Trong trường hợp này transistor đóng vai trò như một nguồn dòng và được sử dụng nhiều trong hầu hết các mạch khuếch đại.
• Mô hình tín hiệu nhỏ:
Khi tín hiệu vào ở mức bé để nghiên cứu hoạt động của transistor người ta đã đưa ra mô hình tín hiệu nhỏ như hình 1.15.
Hình 1.14: Mô hình tín hiệu nhỏ của transistor mắc theo sơ đồ S chung [2].
Đặc trưng cho mô hình tín hiệu nhỏ người ta thường dùng hệ số hỗ dẫn (gm) được xác định như phương trình 1.9.
𝑔𝑚 =𝜕𝑉𝜕𝐼𝐷
𝐺𝑆
(1.9)
gm là hệ số đặc trưng cho sự biến đổi của dòng điện chạy qua transistor ID
theo điện áp nhỏ đặt vào giữa cực G và cực S. gm thường được dùng để tính toán hệ số khuếch đại của transistor, trở kháng vào ra của transistor. Phương trình (1.10) xác định hỗ dẫn của transistor ở chế độ bão hòa.
𝑔𝑚 =𝜇𝑛𝐶𝑜𝑥𝑊𝐿 (𝑉𝐺𝑆−𝑉𝑡ℎ) (1.10)