Materialy wykladowe 1

Transkrypt

Literatura
W. Marciniak “Przyrządy półprzewodnikowe MOS”, WNT 1991
A.S. Sedra, K.C. Smith “Microelectronic Circuits”, 4th Ed., Oxford
University Press, 1998
M. Napieralska, G. Jabłoński „Podstawy mikroelektroniki”
Łódź 2002, ISBN 83-89003-01-5
M. Napieralska, G. Jabłoński, Ł.Starzak „Laboratorium podstaw
mikroelektroniki”
Łódź 2007
I. Sutherland, B. Sproull, D. Harris, "Logical Effort - Designing Fast
CMOS Circuits", Morgan Kaufmann Publishers 1999;
http://www.mkp.com/Logical_Effort
K. Waczyński, E. Wróbel „Technologie mikroelektroniczne”, Gliwice
2001, ISBN 83-88000-88-8
http://lux.dmcs.p.lodz.pl
M.N. Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych PŁ
Definicja marginesów szumów
Vo
VOH
RóŜnica między min ampl.sygnału
wyj bramki sterującej a min
napięciem wej bramki obciąŜanej
NMH NMH=VOH-VIH
NML
NML=VIL-VOL
VI
VIH
VIL
VOL
Out bramki 1
In bramki 2
Czasy propagacji
Jeśli dwa nMOS przełączniki są połączone szeregowo,
między C1 i C2 utworzone zostanie połączenie tylko jeśli
do A i B doprowadzimy sygnał '1'.
Realizacja operacji AND
Jeśli dwa nMOS przełączniki są połączone równolegle,
między C1 i C2 utworzone zostanie połączenie jeśli do
któregokolwiek wejścia A lub B doprowadzimy sygnał '1'.
Realizacja operacji OR
Jeśli dwa pMOS przełączniki są połączone szeregowo,
między C1 i C2 utworzone zostanie połączenie tylko jeśli do
A i B doprowadzimy sygnał ‘0'.
Realizacja operacji AND zanegowanych wartości logicznych
Jeśli dwa pMOS przełączniki są połączone równolegle
między C1 i C2 utworzone zostanie połączenie jeśli do
któregokolwiek wejścia A lub B doprowadzimy sygnał ‘0'.
Realizacja operacji OR zanegowanych wartości logicznych
Koncepcja bramki CMOS
bramka NAND - symulacja logiczna
bramka NOR - symulacja logiczna
Biorąc pod uwagę zachowanie pod wpływem pola
elektrycznego dzielimy ciała stałe na:
przewodniki
izolatory
półprzewodniki
Własności elektryczne materiału zaleŜą od jego
struktury atomowej i krystalicznej
Struktura energetyczna
EF
Poziom Fermiego
pasmo walencyjne
przewodnik
półprzewodnik
Eg~0.16aJ
izolator
Eg~1.6aJ
Poziom Fermiego
• W półprzewodniku elektrony „podlegają” statystyce FermiegoDiraca.
• Prawdopodobieństwo, Ŝe elektron posiada energię E :
Ef - poziom Fermiego odpowiada energii, która w 0K oddziela
pasma obsadzone i nieobsadzone
• Wielkość charakterystyczna dla danego materiału
koncentracja nosnikow / przewodnictwo
Efekt temperaturowy
1E+4
1E+3
1E+2
1E+1
1E+0
1E-1
1E-2
1E-3
1E-4
1E-5
1E-6
1E-7
1E-8
1E-9
1E-10
1E-11
1E-12
1E-13
1E-14
1E-15
1E-16
1E-17
1E-18
1/300 K
0.002
0.004
0.006
0.008
0.010
1/T (1/K)
przewodnictwo samoistne silnie rośnie z temperaturą
w zakresie od 100 (1/T=0.01) do 500K ( 1/T=0.002) zmienia się o
kilkanaście rzędów wielkości
Półprzewodniki domieszkowane
Półprzewodniki domieszkowane
Konsekwencje domieszkowania: krzem w temp. pokojowej
ni=1.5*1010/cm3 – czyli w 300K mamy kT = 0.25eV >>0.048eV
(energia wiązania w sieci krystalicznej krzemu 0.048eV)
czyli wszystkie atomy domieszki utracą elektron nadmiarowy
jeśli Nd będzie 105 razy większa niŜ ni – konduktywność materiału
wzrośnie 100000
odpowiada to 1 atomowi donorowemu na 1 miliard atomów
krzemu
ρ = q(p-n+ND-NA) – gęstość ładunku przestrzennego w
półprzewodniku niesamoistnym
Struktura energetyczna półprzewodnika
Pasmo przewodnictwa
Stany donorowe
Eg
Stany akceptorowe
Pasmo walencyjne
Poziom Fermiego w półprzewodniku typu n leŜy w pobliŜu pasma
przewodnictwa, a w półprzewodniku typu p w pobliŜu pasma
walencyjnego.
JeŜeli połączymy ze sobą róŜne półprzewodniki energie Fermiego
powinny się wyrównać.
Dlaczego tranzystor MOS ?
Realizacja funkcji cyfrowych i analogowych
Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor
(MOSFET) jest kluczowym elementem technologii
Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS)
element pamięci: Dynamic Random Access Memory
(DRAM) i Flash Erasable Programmable Memory
(EPROM)
Przetwarzanie obrazów: Charge-Couple Device (CCD)
wyświetlacze: Active-Matrix Liquid-Crystal Displays
Tranzystor MOS
transfer resistor
1930 J. Lilienfend złoŜył patent
dotyczący działania przyrządu
polowego w USA (słabo
przewodzący materiał umieszczony w
polu elektrycznym będzie zmieniał
swoje przewodnictwo pozwalając na
uzyskanie efektu wzmocnienia)
1960 praktyczne wykonanie
tranzystora polowego
Tranzystor MOS
ang. Metal Oxide Semiconductor
Tranzystory polowe: MOSFET, MIS, IGFET
Bramka polikrzemowa
Warstwa dielektryka
Elektroda metalowa
Wyspy drenu i źródła
PodłoŜe półprzewodnikowe
ρ podłoŜa 0.01 - 0.1Ωm
koncentracja n+ 1024 - 1026 m-3
tox od kilku nm
Struktura MIS idealna
Praca
wyjścia metal-półprzewodnik = 0
Izolator idealny (konduktywność=0)
Półprzewodnik jednorodnie domieszkowany
Brak stanów powierzchniowych na granicy
izolator-półprzewodnik
Brak spadku napięcia w objętości półprzew.
Struktura jednowymiarowa
VG
Metal
Izolator
Półprzewodnik
Kondensator MOS
VG
Al
Oxide
Silicium P
Akumulacja
ZuboŜenie
Inwersja
VG<0
VG>0
VG>>0
Przekrój tranzystora nMOS
Bramka
Źródło
Dren
Metal
Polikrzem
Dwutlenek krzemu
Dyfuzja typu n
PodłoŜe typu p
Podział tranzystorów MOS
Z kanałem typu n
Z kanałem typu p
Z kanałem zuboŜanym (wbudowanym)
ang. depletion
Z kanałem wzbogacanym (indukowanym)
ang. enhancement
Tranzystor nMOS ze
spolaryzowaną bramką
VG>0
Bramka
VS=0
Źródło
Dren
VD=0
Metal
Polikrzem
Dwutlenek krzemu
Dyfuzja typu n
PodłoŜe typu p
Kanał
Początek silnej inwersji
VG=VT
q φ s= 2 q φ f
Ec
Ej
qφf
EF
Ef
Przewodzący tranzystor nMOS
VG>0
Bramka
VS=0
Źródło
Dren
VG-VT>VD>0
Metal
Polikrzem
Dwutlenek krzemu
Dyfuzja typu n
PodłoŜe typu p
Kanał
Przewodzący tranzystor nMOS
na granicy nasycenia
VG>0
Bramka
VS=0
Źródło
VG-VT=VD>0
Dren
Metal
Polikrzem
Dwutlenek krzemu
Dyfuzja typu n
PodłoŜe typu p
Kanał
Nasycony tranzystor nMOS
VG>0
Bramka
VS=0
VD >VG-VT
Dren
Źródło
Metal
Polikrzem
Dwutlenek krzemu
Dyfuzja typu n
A
PodłoŜe typu p
Kanał
Tranzystor nMOS jako przełącznik
+
5V
+
5V
Tranzystor pMOS jako przełącznik
+
5V
+
5V
ZałoŜenia upraszczające do opisu ch-k MOS
Rozwiązanie r-nia Poissona w 1 wymiarze – układ jest jednowymiarowy
Ruchliwość nośników w kanale jest stała
Jednorodne domieszkowanie podłoŜa
Pomijalna rezystancja szeregowa
Prądy nasycenia złączy D-B, S-B są pomijalne
Potencjał powierzchniowy niezaleŜny od UGS
Ładunek obszaru zuboŜonego niezaleŜny od połoŜenia w kanale
Tranzystor MOS w zakresie
liniowym
L=Leff+2Ld
IDS
Leff
x x+dx
Leff
-Ld
0
Leff+Ld
x
I DS = µ
I DS = µ
I DS = k p
I DS =
Weff
Leff
k p Weff
2 Leff
((U
GS
Weff
Leff
Weff
Leff
U DS
∫ (U
Cox
GS
− VT 0 − V ( x ))dV
0
(
2
Cox (U GS − VT 0 )U DS − 1 U DS
2
2
− VT 0 )U DS − 1 U DS
2
(U GS − VT 0 )
2
)
)
Nienasycenie
Nasycenie
Charakterystyki wyjściowe MOS
ID
UGS=5
nienasycenie
UDS=UGS-VT
UGS=4
nasycenie
UGS=3
UGS=2
UGS=1
UDS
Charakterystyki przejściowe MOS
ID
nasycenie
nienasycenie
UGS
VT
Modulacja długości kanału
VG>VT0
VS>VDSsat
L'eff
∆L
Leff
Model LEVEL1
ID
UDS=UGS-VT
UGS=5
nienasycenie
UGS=4
nasycenie
UGS=3
UGS=2
UGS=1
UDS
SPICE DC Parameters
for 1µm MOS
Parameter
nMOS
pMOS
Units
Description
VTO
0.7
0.7
volt
Threshold voltage
KP
8*10-5
2.5*10-5
A/V2
Transconductance coefficient
GAMMA
0.4
0.5
V0.5
Bulk threshold parameter
PHI
0.37
0.36
volt
Surface potential at strong
inversion
LAMBDA
0.01
0.01
volt-1
Channel length modulation
parameter
LD
0.1*10-6
0.1*10-6
meter
Lateral diffusion
TOX
2*10-8
2*10-8
meter
Oxide thickness
NSUB
2*1016
4*1016
1/cm3
Substrate doping density
Aproksymacja ładunku przy
pomocy trapezu
xj
XD
Wc
Zakres podprogowy
(subthreshold region)
praca tranzystora w stanie słabej inwersji, definiowanym
przez zakres potencjału powierzchniowego
φf ≤ φS ≤ 2φf (UFB≤UGS ≤UT)
Zakres podprogowy
Von - próg wyłączania (OFF threshold)
VT - próg załączania (ON threshold)
Przedział Von ≤ VGS ≤ VT nazywany jest zakresem podprogowym
ln(IDS)
UGS
VT Von
Wpływ temperatury na
charakterystyki MOS
IDS
20OC
120OC
A
UGS
Tranzystor o wymiarach submikronowych
Efekty krótkiego i wąskiego kanału
Pole elektryczne w kanale staje się bardzo wysokie
Nasycenie ν nośników
Jonizacja zderzeniowa przy drenie
PasoŜytnicze efekty bipolarne
Tranzystor o wymiarach submikronowych
Zmniejsza się odległość S-D
Punch-through
Modulacja długości kanału
Obszary ładunku przestrzennego
wzrost prądu podprogowego
dla W/L=const i zmniejszenie
napięcia progowego
Pojemności tranzystora MOS
BRAMKA
CGSov
CGS
CGD
CGDov
DREN
ŹRÓDŁO
CBS
CGB
CBD
Pojemności skupione:
obszarów zubożonych CBD CBS
związane z bramką
Pojemności tranzystora MOS
Zakres liniowy (pojemność CGB = 0)
CGS
2


(
U GS − U T )
2

= CoxWeff Leff 1 −
2 
3
 (U GS − U T + U GD − U T ) 
CGD
2


(
2
U GD − U T )


= CoxWeff Leff 1 −
2 
3
 (U GS − U T + U GD − U T ) 
dla
U GS ≈ U GD C ≈ C ≈ 1 C W L
GS
GD
ox eff eff
2
Zakres nasycenia (pojemność CGD = 0)
2
CGS = CoxWeff Leff
3
Czego nie uwzględnia model
LEVEL3
•
Efektu "gorących" nośników, czyli nośników nie będących w
równowadze termodynamicznej z siatką krystaliczną.
•
Zjawiska przekłucia (punch-through), czyli przebicia wynikającego z
zetknięcia rozszerzających się obszarów zuboŜonych drenu i źródła.
•
Nierównomiernego domieszkowania podłoŜa, wynikającego m.in. z
powierzchniowej implantacji jonów w celu regulacji napięcia
progowego.
Tranzystor MOS - podsumowanie
Zakres pracy
Zakres odcięcia, nieprzewodzenia
Zakres liniowy, nienasycenia, triodowy
Zakres nasycenia, pentodowy
Zakres podprogowy, słabej inwersji
Napięcia na końcówkach
UGS<UFB
UGS≥VT i UDS<UDsat
UGS≥VT i UDS≥UDsat
UFB≤UGS<VT
IDS
IDS
Kanał wzbogacany typu n
UGS
IDS
UDS
IDS
UGS
UDS
Kanał wzbogacany typu p
IDS
IDS
Kanał zuboŜany typu n
UGS
IDS
Kanał zuboŜany typu p
UGS
UDS
IDS
UDS

Materialy wykladowe 1

Transkrypt

Podobne dokumenty

mgr inż. Janusz Ptak

Dyrektor Jerzy Goraziński Zastępca Dyrektora Robert Pardela

ALEKSANDER WERBOWY

Pytania na egzamin z dydaktyki informatyki - BK-S