A térvezérelt tranzisztorok I.A térvezérelt tranzisztorok I.

BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar

Elektronikus Eszközök Tanszéke

Székely Vladimír

2001 március

BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar

Elektronikus Eszközök Tanszéke

Székely Vladimír

2001 március

Segédanyag a Villamosmérnöki Szak Elektronika I. tárgyához

Belső használatra!

Segédanyag a Villamosmérnöki Szak Elektronika I. tárgyához

Belső használatra!

A térvezérelt tranzisztorokFET = Field Effect Transistor

A működési elv

A térvezérelt tranzisztorokFET = Field Effect Transistor

A működési elv

Keresztirányú elektromos

erőtér vezérel!

FET - a működési elvFET - a működési elv

JFET = junction FET

Többségi hordozós eszköz: unipoláris tranzisztor

Vezérlő teljesítmény 0

JFET = junction FET

Többségi hordozós eszköz: unipoláris tranzisztor

Vezérlő teljesítmény 0

Legfontosabb paraméter:

U0 elzáródási feszültség

Csatorna

MOSFET tranzisztorokMOSFET tranzisztorok

MOSFET = Metal-Oxide-Semiconductor FETMOSFET = Metal-Oxide-Semiconductor FET

Első alaptípus: kiürítéses (depletion mode)

Legfontosabb paraméter:

U0 elzáródási feszültség

Bulk

-

MOSFET tranzisztorokMOSFET tranzisztorok

Második alaptípus: növekményes (enhancement mode)

Legfontosabb paraméter:

VT küszöbfeszültség

Bulk

Ezt használjuk a leggyakrabban!Ezt használjuk a leggyakrabban!

+

A FET tranzisztorok jelöléseA FET tranzisztorok jelölése

A MOSFET tranzisztor elmélete

1. Felületi jelenségek

A MOSFET tranzisztor elmélete

1. Felületi jelenségek

kT

WWp vFexp~

i

aT

i

FiF n

NU

n

p

q

kT

q

WWlnln

Erős inverzió:

UF = 2 F

kT

WWnp Fii exp

A MOS struktúra potenciálviszony

ai

A MOS struktúra potenciálviszony

ai

MSFoxGB UUU

iSSSCG QQQQ

ox

ox

dC

0 oxG UCQ 0

SqNQ aSC

A MOS struktúra potenciálviszonyaiA MOS struktúra

potenciálviszonyai

MSFoxGB UUU

iSSSCG QQQQ

oxG UCQ 0

SqNQ aSC

FasFa

saSC UqNU

qNqNQ

22

SSFasox

SSSCGi

QUqNUC

QQQQ

20

SSFas

MSFGBi

QUqN

UUCQ

2

)(0

A MOS tranzisztor küszöbfeszültségeA MOS tranzisztor küszöbfeszültsége

FFU 2 SBFF UU 2

A MOS tranzisztor küszöbfeszültségeA MOS tranzisztor küszöbfeszültsége

SSFasMSFGBi QUqNUUCQ 2)(0

SBFF UU 2

SSSBFasMSSBFGBi QUqNUUCQ 22)2(0

0

iQGST UV

SBFasSS

MSFT UC

qN

C

QV

2

22

00

TGS

TGSi

VU

VUCQ

0

esetén

A MOS tranzisztor küszöbfeszültségeA MOS tranzisztor küszöbfeszültsége

SBFasSS

MSFT UC

qN

C

QV

2

22

00

0

2

C

qNP as

Bulk állandó:Bulk állandó:

0C

QSSMSFB

Flat-band potenciál:Flat-band potenciál:

A MOS tranzisztor küszöbfeszültségeA MOS tranzisztor küszöbfeszültsége

SBFas

FBFT UC

qNVV 2

22

0

Egy MOS struktúra adatai: Na = 41015 /cm3, a Si relatív dielektromos állandója 11,8, az oxidé 3,9, az oxid vastagsága dox = 0,03 m, MS = 0,2 V, QSS-t elhanyagoljuk. Számítsuk ki a Fermi potenciált, az oxid kapacitást, a bulk állandót és a küszöb-feszültséget USB = 0 V mellett!

PÉLDA

Vn

NU

i

aTF 335,0

10

104ln026,0ln

10

15

2238

12

0 /1100/101,1103

9,31086,8mmpFmF

dC

ox

ox

2/13

211912

331,0101,1

104106,17,111086,82VP

VVT 14,1335,02331,02,0335,02

0

2

C

qNP as

SBFasSS

MSFT UC

qN

C

QV

2

22

00

Az (ideális) Q-V görbe MOS szerkezeteken

Az (ideális) Q-V görbe MOS szerkezeteken

V

Q

“MOM” kapacitás:töltések a fémfelületeken

MOS kapacitás:oxidkapacitás éstértöltéskapacitássorosan

U

A C-V görbe (a Q-V görbe deriváltja) és mérése: adalékolás,

VT (Qss) adódik

A C-V görbe (a Q-V görbe deriváltja) és mérése: adalékolás,

VT (Qss) adódik

néhány Hz

MHz

néhány Hz MHz

S Sdox

A növekményes MOS tranzisztor karakterisztikája

A növekményes MOS tranzisztor karakterisztikája

A karakterisztika egyenlet

levezetése

A karakterisztika egyenlet

levezetéseU(0) = UGS , U(L) = UGD

U(0) = UGS , U(L) = UGDQi(U) = Qi(U(x))Qi(U) = Qi(U(x))

vWQI iD dx

dUEv

dx

dUWUQI iD )( dx

dx

dUQWdxI

L

i

L

D 00

A karakterisztika egyenlet

levezetése

A karakterisztika egyenlet

levezetéseU(0) = UGS , U(L) = UGD

U(0) = UGS , U(L) = UGD

dxdx

dUQWdxI

L

i

L

D 00

GD

GS

U

UiD dUUQWLI )(

GS

GD

GD

GS

U

UTT

U

UD VU

C

L

WdUVUC

L

WI 20

0 2

Ti VxUCQ )(0 220

2 TGDTGSD VUVUC

L

WI

A karakterisztika egyenlet

levezetése

A karakterisztika egyenlet

levezetése

220

2 TGDTGSD VUVUC

L

WI

)()(20

GDGSD UFUFC

L

WI

T

TT

VUha

VUhaVUUF

0

)()(

2

Minden működési tartományra!Minden működési tartományra!

DSGSGD UUU

DSGSD UUfI ,

A telítéses működésA telítéses működés

)()(20

GDGSD UFUFC

L

WI

T

TT

VUha

VUhaVUUF

0

)()(

2

Minden működési tartományra!Minden működési tartományra!

20

2 TGSD VUC

L

WI

Telítés: UGD < VT

vagy UGS-VT< UDS

Telítés: UGD < VT

vagy UGS-VT< UDS

Elektron-mikroszkópos felvétel

Elektron-mikroszkópos felvétel

Felvétel optikai mikroszkóppalFelvétel optikai mikroszkóppal

Gyakorlati kivitelGyakorlati kivitel

A MOS tranzisztor Fém gate elektródás kivitel

A korai MOS technika tranzisztora

Problémák: gate átlapolás, VT , kevés vezeték sík

A MOS tranzisztor Önillesztő, poli-Si gate technika

1. Aktív zóna vékonyoxid

2. Bújtatott kont. ablaknyitás

3. Poli-Si felvitel, maszkol

4. Aktív zónát nyit, n+

diffúzió

5. Szigetelő bevonat (PSG)

6. Kontaktus ablakok

7. Fémezés

1. Aktív zóna vékonyoxid

2. Bújtatott kont. ablaknyitás

3. Poli-Si felvitel, maszkol

4. Aktív zónát nyit, n+

diffúzió

5. Szigetelő bevonat (PSG)

6. Kontaktus ablakok

7. Fémezés

Önillesztés !

CSAT = AKTÍV and POLI

A MOS tranzisztor

Szubmikronos Szubmikronos MOS struktúraMOS struktúra

Vázlatrajz és elektron-mikroszkóppal készült metszeti kép

PÉLDA

Határozzuk meg a C0 = 1,110-3 F/m2 oxid kapacitású n-MOS tranzisztor áram állandóját! Az elektron mozgékonyságot 0,1 m2/Vs értékkel vegyük számításba!

Határozzuk meg a C0 = 1,110-3 F/m2 oxid kapacitású n-MOS tranzisztor áram állandóját! Az elektron mozgékonyságot 0,1 m2/Vs értékkel vegyük számításba!

2263

0 /55/10552

101,11,0

2VAVA

CK

20

2 TGSD VUC

L

WI

PÉLDA

Számítsuk ki, hogy mekkora az előbbi tranzisztor telítéses árama UGS = 5 V vezérlő feszültség mellett, ha VT = 1 V és a tranzisztor mérete W = 10 m, L = 0,8 m!

Számítsuk ki, hogy mekkora az előbbi tranzisztor telítéses árama UGS = 5 V vezérlő feszültség mellett, ha VT = 1 V és a tranzisztor mérete W = 10 m, L = 0,8 m!

mAAVUKL

WI TGSD 111011)15(1055

8,0

10 3262

MOS tranzisztor, másodlagos jelenségek

MOS tranzisztor, másodlagos jelenségek

A csatornarövidülésA csatornarövidülés

20

2 TGSD VUC

L

WI

MOS tranzisztor, másodlagos jelenségek

MOS tranzisztor, másodlagos jelenségek

A küszöb alatti (sub-threshold) áram

A küszöb alatti (sub-threshold) áram

T

TGSonD Un

VUII exp

MOS tranzisztor, másodlagos jelenségek

MOS tranzisztor, másodlagos jelenségek

A küszöbfeszültség függése a geometriától

A küszöbfeszültség függése a geometriától

Rövid csatorna: VT csökken

Keskeny csatorna: VT növekszik

A MOS tranzisztor kapacitásai

A MOS tranzisztor kapacitásai

),,( GBGDGSGG UUUfQ

),,( GBGDGSii UUUfQ

GS

Ggs U

QC

Bulk

A MOS tranzisztor jellemzőinek hőmérséklet függése

A MOS tranzisztor jellemzőinek hőmérséklet függése

20

2 TGSD VUC

L

WI

CdT

d o/006.0...003,01

CmVT

V oT /4...5,1

Teljesítmény MOS tranzisztorokTeljesítmény MOS tranzisztorokA DMOS (TMOS)

szerkezetA DMOS (TMOS)

szerkezet

Teljesítmény MOS tranzisztorokTeljesítmény MOS tranzisztorokA VMOS szerkezetA VMOS szerkezet

SiO2

A kiürítéses MOS tranzisztorA kiürítéses MOS tranzisztor

Eltolt küszöbfeszültségű növekményesEltolt küszöbfeszültségű növekményes

A növekményes és kiürítéses MOS tranzisztorok, VT beállítása

A növekményes és kiürítéses MOS tranzisztorok, VT beállítása

Küszöbfeszültség eltolása:

+Qss miatt VT negatív irányba tolódik,

NA- ionok implantálása a csatornába:

VT pozitív irányba tolódik.

Küszöbfeszültség eltolása:

+Qss miatt VT negatív irányba tolódik,

NA- ionok implantálása a csatornába:

VT pozitív irányba tolódik.

UGS

ID

VTp VTn VTp VTn

20

2 TGSD VUC

L

WI

220 22 DSTGSD UVUC

L

WI

DSTGS UVU