Aneta Prijić Poluprovodničke
komponente
Modul Elektronske komponente i mikrosistemi
(IV semestar)
Studijski program: Elektrotehnika i računarstvo
Broj ESPB: 6
MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor
Field Effect Transistors Rad zasnivaju na osobinama MOS kondenzatora Naponski kontrolisane komponente U provođenju struje učestvuje jedna vrsta
nosilaca Sadrže 4 oblasti kontaktiranja pri čemu su u većini
slučajeva dve kratkospojene tako da diskretne komponente imaju 3 izvoda
2 tipa tranzistora: sa ugrađenim 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 ugrađenim kanalom
MOS struktura-MOS kondenzator
Metal (obično 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 čine deo dielektrika i drugu elektrodu MOS kondenzatora u zavisnosti od stanja MOS strukture
MOS kondenzator na supstratu p-tipa sa polarizacijom - VG
Cox=εox/tox – kapacitivnost oksida (po jedinici površine) – 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 naizmenični napon vg amplitude koja je mnogo manja od VG
Promena naelektrisanja u strukturi sa promenom napona vg određuje kapacitivnost
Razlikujemo 3 stanja strukture: akumulacija, osiromašenje i inverzija
Zavisno od učestanosti superponiranog napona razlikujemo niskofrekventnu i visokofrekventnu C-V krivu
C-V kriva na niskim učestanostima
Naponu VG superponira se naizmenični napon vg niske učestanosti
Zavisno od vrednosti napona VG struktura se nalazi u stanju akumulacije, osiromašenja, slabe ili jake inverzije
Akumulacija (VG<0)
Negativna polarizacija privlači šupljine iz dubine poluprovodnika koje se akumuliraju uz međupovršinu Si-SiO2
C=Cox
Osiromašenje (VG>0)
Pozitivna polarizacija odbija šupljine ka dubini poluprovodnika, a uz međupovršinu Si-SiO2 ostaju nekompenzovani akceptorski joni – osiromašena oblast koja ima ulogu dielektrika
C=CoxCSi/(Cox+CSi); CSi= εSi/xd xd- širina osiromašene oblasti
Slaba inverzija (VG>0)
Porast pozitivne polarizacije dovodi do privlačenja elektrona iz dubine poluprovodnika
Ispod međupovršine Si-SiO2 se formira invertovani sloj (sloj nosilaca suprotnog tipa od supstrata)
Osiromašena oblast se i dalje širi u dubinu supstrata C=CoxCSi/(Cox+CSi)
Jaka inverzija (VG>0)
• Koncentracija elektrona u invertovanom sloju raste i dostiže vrednost koja je jednaka koncentraciji šupljina u dubini supstrata • Ova koncentracija je dovoljna da "štiti" osiromašenu oblast od daljeg uticaja električnog polja • C=Cox
C-V kriva na visokim učestanostima
• Naponu VG superponira se naizmenični napon vg visoke učestanosti (1MHz) • Nosioci u invertovanom sloju pri jakoj inverziji ne uspevaju da prate brze promene primenjenog napona • C=Cmin=CoxCSimin/(Cox+CSimin) • CSimin= εSi/xdmax xdmax- maksimalna širina osiromašene oblasti
Napon praga - VT (V threshold) Napon na gejtu - VG neophodan da dođe do
stanja jake inverzije, odnosno da koncentracija manjinskih nosilaca uz međupovršinu Si-SiO2 postane jednaka koncentraciji većinskih nosilaca u unutrašnjosti supstrata predstavlja napon praga
Zavisi od: ◦ Koncentracije primesa u supstratu ◦ Debljine oksida ◦ Naelektrisanja u oksidu i na međupovršini Si-SiO2
◦ Kontaktne razlike potencijala između metala i poluprovodnika
Princip rada MOSFET-a (NMOS)
• U supstratu p-tipa formirane su oblasti sorsa i drejna n-tipa • Između njih je oblast kanala dužine L i širine w • Iznad oblasti kanala je formirana MOS struktura gde metal ili poliSi čine gejt • tox - debljina oksida
Polarizacija gejta NMOS-a
Napon na gejtu dovodi do formiranja invertovanog sloja n-tipa u kanalu. (Kod tranzistora sa ugrađenim 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 odgovarajućih
p-n spojeva koje su spojene sa osiromašenom oblašću kanala Između 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 između drejna i sorsa je pozitivan (VDS>0) i
utiče na driftovsko kretanje e- kroz kanal, odnosno proticanje struje ID
VGS>VT, VDS>0 IG=0, ID≠0
Za male vrednosti napona VDS kanal se ponaša kao otpornik – linearna zavisnost između struje ID i napona VDS
Daljim povećanjem VDS kanal u blizini drejna se sužava usled dejstva električnog polja u prelaznoj oblasti inverzno polarisanog p-n spoja
Otpornost kanala se povećava, a struja ID sporije raste sa naponom VDS nego u početku – triodna oblast
Kanal se usled sužavanja uz drejn sasvim istanjuje za VDS= VDSsat = VGS-VT; VDSsat – napon zasićenja (saturacije)
Za vrednosti VDS iznad VDSsat kanal se skraćuje, a elektroni iz kanala do drejna su privučeni električnim poljem koje postoji u prelaznoj oblasti inverzno polarisanog p-n spoja drejna
Struja ostaje konstantna – tranzistor ulazi u zasićenje (saturaciju)
IG = 0; ID=IS !!!!! Vrednost ID zavisi od vrednosti
napona VGS i VDS u odnosu na napon praga VT
Za VGS<VT nije formiran provodni kanal - tranzistor je zakočen ID = 0
Za VGS>VT razlikujemo triodnu i oblast zasićenja
Struje NMOS-a
U triodnoj oblasti VDS≤VGS-VT
◦ Za malo VDS (početni deo triodne oblasti) drugi član se može
zanemariti – linearna oblast
◦ Otpornost kanala u linearnoj oblasti
U oblasti zasićenja VDS≥VGS-VT struja ima konstantnu vrednost
µn – pokretljivost elektrona u kanalu
( ) 2D n ox GS T DS DS
w 1I C V V V VL 2
µ = − −
( )D n ox GS T DSwI C V V VL
µ = −
( )2 2D Dsat n ox GS T n ox DSsat
w wI I C V V C V2L 2L
µ µ= = − =
( )DS
DSonD
n ox GS T
V 1rwI C V VL
µ= =
−
Izlazne strujno-naponske karakteristike ID=f(VDS)- zavisnost izlazne struje od izlaznog
napona; parametar je ulazni napon VGS
Efekat modulacije dužine kanala U realnosti smanjenje dužine kanala utiče na povećanje
vrednosti struje ID sa naponom VDS i u oblasti zasićenja Efekat izražen kod tranzistora sa kratkim kanalom i opisan
Early-jevim naponom VA
( )2 DSDsat n ox GS T
A
VwI C V V 12L V
µ
= − +
Prenosna strujno-naponska karakteristika ID=f(VGS) - zavisnost izlazne struje od ulaznog
napona za konstantnu vrednost izlaznog napona VDS
Za VGS<VT (napon na gejtu manji od napona praga) nema struje ID
Električni model MOSFET-a Model za male signale
MOSFET je predstavljen kao naponom kontrolisan strujni izvor ◦ vgs – kontrolišuća veličina ◦ gm - transkonduktansa (strmina) ◦ r0 – uključuje efekat modulacije dužine kanala
(10kΩ÷1MΩ) Ulazna otpornost je velika (IG=0)
Dm
GS
dIg
dV=
A0
D
Vr
I=
Tehničke specifikacije MOSFET-a (NMOS BS-170) Maksimalne vrednosti napona i struja Napon praga Maksimalna disipacija Otpornost kanala u linearnoj oblasti Ulazna kapacitivnost Vremena uključenja i isključenja Izlazne i prenosna karakteristika
This Material Copyrighted By Its Respective Manufacturer
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 logičke 0 • Stanje visokog naponskog nivoa iznad vrednosti VH - stanje logičke 1 • Između ovih vrednosti je nedefinisano stanje - prelazni režim invertora
NMOS tranzistor sa pasivnim opterećenjem (otpornikom)
U ovoj konfiguraciji tranzistor radi ili kao pojačavač (radna tačka Q) ili kao invertor (radne tačke A i C) u zavisnosti od VDD, RD i Vin.
= − + DDD D
D D
V1I VR R
Prenosna karakteristika Nagib karakteristike u radnoj
tački pojačavača određuje naponsko pojačanje
Invertor kao stabilna stanja ima deo prenosne karakteristike u delu X-A i B-C
Invertor je bolji što mu je prenosna karakteristika strmija - veća vrednost otpornosti RD
Otpornik velike otpornosti zauzima mnogo mesta na površini čipa
Struja kroz kolo teče u svakom trenutku - disipacija toplote prisutna na svim komponentama
NMOS invertor sa aktivnim opterećenjem (sa PMOS - om)
Aktivno opterećenje je PMOS tranzistor polarisan tako da radi u zasićenju 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 čije se izvode gejta dovodi ulazni signal dok se izlazni signal uzima sa izvoda drejna tranzistora
Na ulazu napon logičke 1 (Vin=VDD)
NMOS vodi, PMOS je zakočen NMOS obezbeđuje nisko-otporni put ka masi Na izlazu je napon reda 10mV što predstavlja
logičku 0 Struja kroz tranzistore je zanemarljiva, a
disipacija snage u kolu je vrlo mala (manja od μW)
Na ulazu napon logičke 0 (Vin=0)
PMOS vodi, NMOS je zakočen PMOS obezbeđuje nisko-otporni put ka napajanju Na izlazu je napon za 10mV manji od VDD što
predstavlja logičku 1 Struja kroz tranzistore je zanemarljiva, a
disipacija snage u kolu je vrlo mala (manja od μW)
Struja i disipacija snage CMOS invertora
Značajna struja protiče samo u prelaznom režimu – pri promeni logičkih stanja
Snaga se disipira samo u prelaznom režimu
Prenosna karakteristika
• VIL – niži ulazni napon pri kome je strmina prenosne karakteristike jednaka -1 • VIH – viši ulazni napon pri kome je strmina prenosne karakteristike jednaka -1 • VOH - izlazni napon koji odgovara naponu VIL; • VOL - izlazni napon koji odgovara naponu VIH • VTN – napon praga NMOS-a • VTP – napon praga PMOS-a • U idealnom slučaju VOH=VDD i VOL=0V
Margine šuma CMOS invertori se često kaskadno nadovezuju Treba obezbediti tačno tumačenje ulaznih signala NMH=VOH-VIH - margina šuma logičke 1
(obezbedjuje da se logička 1 sa izlaza prvog invertora protumači kao logička 1 na ulazu drugog invertora)
NML=VIL-VOL - margina šuma logičke 0 (obezbedjuje da se logička 0 sa izlaza prvog invertora protumači kao logička 0 na ulazu drugog invertora)
Vremena kašnjenja invertora
tpHL – kašnjenje izlaznog signala pri prelazu iz stanja logičke 1 u stanje logičke 0. tpLH – kašnjenje izlaznog signala pri prelazu iz stanja logičke 0 u stanje logičke 1. tp= (tpHL+tpLH)/2 – propagaciono kašnjenje
Prednosti CMOS invertora
Nivoi izlaznih napona su 0 i VDD, što obezbeđuje odličnu izmenu signala i velike margine šuma
Disipacija snage je skoro jednaka nuli (zanemarujući disipaciju usled struja curenja) za oba logička stanja
Postoji niskootporni put izmedju izlaza i mase ili VDD, što obezbedjuje da je izlazni napon 0 ili VDD, nezavisno od odnosa w/L ili drugih parametara tranzistora
Ulazna otpornost invertora je beskonačna (IG = 0) - na izlaz invertora se može vezati veći broj sličnih invertora bez gubitaka u nivou signala