Aneta Priji‡ Poluprovodnike - mikroelektro .Aneta Priji‡ Poluprovodnike komponente. Modul

  • View
    224

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Aneta Priji‡ Poluprovodnike - mikroelektro .Aneta Priji‡ Poluprovodnike komponente....

  • Aneta Priji Poluprovodnike

    komponente

    Modul Elektronske komponente i mikrosistemi

    (IV semestar)

    Studijski program: Elektrotehnika i raunarstvo

    Broj ESPB: 6

  • MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor

    Field Effect Transistors Rad zasnivaju na osobinama MOS kondenzatora Naponski kontrolisane komponente U provoenju struje uestvuje jedna vrsta

    nosilaca Sadre 4 oblasti kontaktiranja pri emu su u veini

    sluajeva dve kratkospojene tako da diskretne komponente imaju 3 izvoda

    2 tipa tranzistora: sa ugraenim kanalom (depletion tip) sa indukovanim kanalom (enhancement tip)

  • Oznake i tipovi MOSFET-ova

    N-kanalni (NMOS)

    P-kanalni (PMOS)

    S sors (source) G gejt (gate) D drejn (drain) B supstrat (bulk)

    Sa indukovanim kanalom

    Sa ugraenim kanalom

  • MOS struktura-MOS kondenzator

    Metal (obino Al) ili polySi (polikristalni silicijum dopiran visokom koncentracijom primesa n ili p tipa) imaju ulogu jedne elektrode MOS kondenzatora

    SiO2 silicijum dioksid (izolacioni sloj - dielektrik) debljine tox Supstrat (bulk) p ili n tip poluprovodnika sa metalnim

    kontaktom ine deo dielektrika i drugu elektrodu MOS kondenzatora u zavisnosti od stanja MOS strukture

  • MOS kondenzator na supstratu p-tipa sa polarizacijom - VG

    Cox=ox/tox kapacitivnost oksida (po jedinici povrine) ne zavisi od polarizacije VG CSi kapacitivnost Si (p-tipa) zavisi od vrednosti polarizacije VG C=CoxCSi/(Cox+CSi)

  • Zavisnost MOS kapacitivnosti od napona polarizacije tzv. C-V kriva

    Naponu VG superponira se naizmenini napon vg amplitude koja je mnogo manja od VG

    Promena naelektrisanja u strukturi sa promenom napona vg odreuje kapacitivnost

    Razlikujemo 3 stanja strukture: akumulacija, osiromaenje i inverzija

    Zavisno od uestanosti superponiranog napona razlikujemo niskofrekventnu i visokofrekventnu C-V krivu

  • C-V kriva na niskim uestanostima

    Naponu VG superponira se naizmenini napon vg niske uestanosti

    Zavisno od vrednosti napona VG struktura se nalazi u stanju akumulacije, osiromaenja, slabe ili jake inverzije

  • Akumulacija (VG

  • Osiromaenje (VG>0)

    Pozitivna polarizacija odbija upljine ka dubini poluprovodnika, a uz meupovrinu Si-SiO2 ostaju nekompenzovani akceptorski joni osiromaena oblast koja ima ulogu dielektrika

    C=CoxCSi/(Cox+CSi); CSi= Si/xd xd- irina osiromaene oblasti

  • Slaba inverzija (VG>0)

    Porast pozitivne polarizacije dovodi do privlaenja elektrona iz dubine poluprovodnika

    Ispod meupovrine Si-SiO2 se formira invertovani sloj (sloj nosilaca suprotnog tipa od supstrata)

    Osiromaena oblast se i dalje iri u dubinu supstrata C=CoxCSi/(Cox+CSi)

  • Jaka inverzija (VG>0)

    Koncentracija elektrona u invertovanom sloju raste i dostie vrednost koja je jednaka koncentraciji upljina u dubini supstrata Ova koncentracija je dovoljna da "titi" osiromaenu oblast od daljeg uticaja elektrinog polja C=Cox

  • C-V kriva na visokim uestanostima

    Naponu VG superponira se naizmenini napon vg visoke uestanosti (1MHz) Nosioci u invertovanom sloju pri jakoj inverziji ne uspevaju da prate brze promene primenjenog napona C=Cmin=CoxCSimin/(Cox+CSimin) CSimin= Si/xdmax xdmax- maksimalna irina osiromaene oblasti

  • Napon praga - VT (V threshold) Napon na gejtu - VG neophodan da doe do

    stanja jake inverzije, odnosno da koncentracija manjinskih nosilaca uz meupovrinu Si-SiO2 postane jednaka koncentraciji veinskih nosilaca u unutranjosti supstrata predstavlja napon praga

    Zavisi od: Koncentracije primesa u supstratu Debljine oksida Naelektrisanja u oksidu i na meupovrini Si-SiO2 Kontaktne razlike potencijala izmeu metala i

    poluprovodnika

  • Princip rada MOSFET-a (NMOS)

    U supstratu p-tipa formirane su oblasti sorsa i drejna n-tipa Izmeu njih je oblast kanala duine L i irine w Iznad oblasti kanala je formirana MOS struktura gde metal ili poliSi ine gejt tox - debljina oksida

  • Polarizacija gejta NMOS-a

    Napon na gejtu dovodi do formiranja invertovanog sloja n-tipa u kanalu. (Kod tranzistora sa ugraenim kanalom postoji invertovani sloj i pri nultoj polarizaciji na gejtu)

    Struja gejta je 0 zbog postojanja oksida koji je izolator Oko oblasti sorsa i drejna postoje prelazne oblasti odgovarajuih

    p-n spojeva koje su spojene sa osiromaenom oblau kanala Izmeu sorsa i drejna nema struje jer ne postoji potencijalna

    razlika koja bi uslovila kretanje elektrona

    VGS>VT VDS=0 IG=0 ID=0

  • Polarizacija drejna i sorsa NMOS-a

    Supstrat i sors su uzemljeni Napon VGS>VT formiran je provodni kanal Napon izmeu drejna i sorsa je pozitivan (VDS>0) i

    utie na driftovsko kretanje e- kroz kanal, odnosno proticanje struje ID

    VGS>VT, VDS>0 IG=0, ID0

  • Za male vrednosti napona VDS kanal se ponaa kao otpornik linearna zavisnost izmeu struje ID i napona VDS

  • Daljim poveanjem VDS kanal u blizini drejna se suava usled dejstva elektrinog polja u prelaznoj oblasti inverzno polarisanog p-n spoja

    Otpornost kanala se poveava, a struja ID sporije raste sa naponom VDS nego u poetku triodna oblast

    Kanal se usled suavanja uz drejn sasvim istanjuje za VDS= VDSsat = VGS-VT; VDSsat napon zasienja (saturacije)

  • Za vrednosti VDS iznad VDSsat kanal se skrauje, a elektroni iz kanala do drejna su privueni elektrinim poljem koje postoji u prelaznoj oblasti inverzno polarisanog p-n spoja drejna

    Struja ostaje konstantna tranzistor ulazi u zasienje (saturaciju)

  • IG = 0; ID=IS !!!!! Vrednost ID zavisi od vrednosti

    napona VGS i VDS u odnosu na napon praga VT

    Za VGSVT razlikujemo triodnu i oblast zasienja

    Struje NMOS-a

  • U triodnoj oblasti VDSVGS-VT

    Za malo VDS (poetni deo triodne oblasti) drugi lan se moe

    zanemariti linearna oblast

    Otpornost kanala u linearnoj oblasti

    U oblasti zasienja VDSVGS-VT struja ima konstantnu vrednost

    n pokretljivost elektrona u kanalu

    ( ) 2D n ox GS T DS DSw 1I C V V V VL 2

    =

    ( )D n ox GS T DSwI C V V VL

    =

    ( )2 2D Dsat n ox GS T n ox DSsatw wI I C V V C V2L 2L

    = = =

    ( )DS

    DSonD

    n ox GS T

    V 1rwI C V VL

    = =

  • Izlazne strujno-naponske karakteristike ID=f(VDS)- zavisnost izlazne struje od izlaznog

    napona; parametar je ulazni napon VGS

  • Efekat modulacije duine kanala U realnosti smanjenje duine kanala utie na poveanje

    vrednosti struje ID sa naponom VDS i u oblasti zasienja Efekat izraen kod tranzistora sa kratkim kanalom i opisan

    Early-jevim naponom VA

    ( )2 DSDsat n ox GS TA

    VwI C V V 12L V

    = +

  • Prenosna strujno-naponska karakteristika ID=f(VGS) - zavisnost izlazne struje od ulaznog

    napona za konstantnu vrednost izlaznog napona VDS

    Za VGS

  • PMOS tranzistor Naponi i struje imaju negativan znak

  • Elektrini model MOSFET-a Model za male signale

    MOSFET je predstavljen kao naponom kontrolisan strujni izvor vgs kontroliua veliina gm - transkonduktansa (strmina) r0 ukljuuje efekat modulacije duine kanala

    (10k1M) Ulazna otpornost je velika (IG=0)

    Dm

    GS

    dIg

    dV=

    A0

    D

    Vr

    I=

  • Tehnike specifikacije MOSFET-a (NMOS BS-170) Maksimalne vrednosti napona i struja Napon praga Maksimalna disipacija Otpornost kanala u linearnoj oblasti Ulazna kapacitivnost Vremena ukljuenja i iskljuenja Izlazne i prenosna karakteristika

  • This Material Copyrighted By Its Respective Manufacturer

    anetaOval

    anetaOval

    anetaOval

    anetaOval

    anetaOval

    anetaOval

    anetaOval

    anetaOval

  • This Material Copyrighted By Its Respective Manufacturer

    anetaOval

    anetaOval

  • MOS invertor Napon na izlazu predstavlja invertovani napon sa

    ulaza Prenosna karakteristika

    I input O output L low H high Stanje niskog naponskog nivoa do vrednosti VL - stanje logike 0 Stanje visokog naponskog nivoa iznad vrednosti VH - stanje logike 1 Izmeu ovih vrednosti je nedefinisano stanje - prelazni reim invertora

  • NMOS tranzistor sa pasivnim optereenjem (otpornikom)

    U ovoj konfiguraciji tranzistor radi ili kao pojaava (radna taka Q) ili kao invertor (radne take A i C) u zavisnosti od VDD, RD i Vin.

    = + DDD DD D

    V1I VR R

  • Prenosna karakteristika Nagib karakteristike u radnoj

    taki pojaavaa odreuje naponsko pojaanje

    Invertor kao stabilna stanja ima deo prenosne karakteristike u delu X-A i B-C

    Invertor je bolji to mu je prenosna karakteristika strmija - vea vrednost otpornosti RD

    Otpornik velike otpornosti zauzima mnogo mesta na povrini ipa

    Struja kroz kolo tee u svakom trenutku - disipacija toplote prisutna na svim komponentama

  • NMOS invertor sa aktivnim optereenjem (sa PMOS - om)

    Aktivno optereenje je PMOS tranzistor polarisan tako da radi u zasienju i ima ulogu strujnog izvora

    PMOS ima manje dimenzije ali je i dalje disipacija toplote stalno prisutna

  • CMOS (Complementary MOS) invertor

    Elementarno kolo u digitalnim sistemima

    Sastoji se od uparenih NMOS i PMOS tranzistora na ije se izvode gejta dovodi ulazni signa