MOS Transistor

55
1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Transistor E x

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MOS Transistor. E. x. MOS Transistor. E. x. MOS Transistor. E. x. MOS Transistor. E. x. MOS Transistor. E. x. MOS Transistor. E. -. x. MOS Transistor. E. x. MOS Transistor. E. +. x. MOS Transistor. 9. 6. 7. 8. 1. 2. 3. 4. 5. Boltzmannsche Formel. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: MOS Transistor

1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Transistor

E

x

Page 2: MOS Transistor

2 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Transistor

E

x

Page 3: MOS Transistor

3 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Transistor

E

x

Page 4: MOS Transistor

4 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Transistor

E

x

Page 5: MOS Transistor

5 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Transistor

E

x

Page 6: MOS Transistor

6 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Transistor

-

E

x

Page 7: MOS Transistor

7 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Transistor

E

x

Page 8: MOS Transistor

8 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Transistor

+

E

x

Page 9: MOS Transistor

9 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Transistor

1 2 3 4 576 8

9

kT

E

enn

0

1

1

kT

E

e

n

1

1

kT

EE f

e

n

Page 10: MOS Transistor

10 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Boltzmannsche Formel

kT

E

enn

0

kT

mgh

enn

0

Page 11: MOS Transistor

11 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Boltzmannsche Formel

kT

E

kT

EEef

enen

0

1

1

kT

EE f

e

n

kT

E

kT

EEhf

epen

01

Page 12: MOS Transistor

12 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Boltzmannsche Formel

-Q +Q

/QC

tAC ro /E -Q +Q

E

Page 13: MOS Transistor

13 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Transistor

N N

Page 14: MOS Transistor

14 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Transistor

N N

Page 15: MOS Transistor

15 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Transistor - Ladungsträgerdichten

aNp

E=eVbi

kT

E

dp eNn

dNn

kT

E

an eNp

aNp

NdNn

dN aN

dN

0gesQ

constpn0gesQ

Warum Sperrzone?

Page 16: MOS Transistor

16 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Intrinsischer Halbleiter

kT

E

dp eNn

dNn

kT

E

an eNp

aNp

dN aN

dN

2inpn

a

ip N

nn

2

0 d

in N

np

2

0

TDG

inn

inp

constpn 3101045.1 cmni

31610, cmNN da

32210 cmniatomS

Page 17: MOS Transistor

17 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Gate Spannung

N NN N

Page 18: MOS Transistor

18 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Gate Spannung - Kanal

N NN N

Page 19: MOS Transistor

19 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Gate Spannung

N NN N

Page 20: MOS Transistor

20 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Gate Spannung - Valenzband

Page 21: MOS Transistor

21 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Gate Spannung - Leitungsband

Page 22: MOS Transistor

22 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Gate Spannung – Elektronendichte im Kanal

N N

aip

ap

Nnn

Np

/2

Vox

ψs

N N

Page 23: MOS Transistor

23 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Elektronendichte im Kanal

Q‘G

ψsQ‘dep=e Na t

t

Na

Vox

?)(' GBch VQVGB

Q‘ch

oxsGB VV tox

aip

ap

Nnn

Np

/2

depchG QQQ '''

ox

depch

ox

G

ox C

QQ

C

QV

'

''

'

'

ox

oSiOox

tC

2'

?)(' schQ

?)(' sdepQ

Warum so steil?

Page 24: MOS Transistor

24 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Gate Spannung – Elektronendichte im Kanal

Q‘G

ψsQ‘dep=e Na t

t

Na

Q‘ch

aip

ap

Nnn

Np

/2

Page 25: MOS Transistor

25 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Ladung in verarmter Zone

Q Q+dQ dQ

tC

d

dQ r 0''

teNQ a'

'0

'

Q

eN

d

dQ ar

deNdQQ ar 0'' ar eNQ 0

2'

2

1

ar eNQ 0' 2

a

r

eNt

02

20' ar eN

C

ψ ψ

dQ

Q

dQ

t

t

Na

Q

Page 26: MOS Transistor

26 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Potential in verarmter Zone

'00

'

'

)( C

dyeN

t

dyeN

dy

teN

dyC

Qd a

r

a

r

a

ψy

y=tdψ dy

teNQ a'

dydyC r 0' )(

20' ar eN

C

dQ beeinflusst nicht

Page 27: MOS Transistor

27 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Ladung im Kanal

TU

y

pp eenn)(

0

ydy

dy s

)(

T

a

T

s

UC

yeN

Upp eeenn

'

0

T

s

Up

a

Tch een

eN

UCQ

0

''

s

ar eNC

20'

ψs

y

y=t

'C

eN

dy

d a

t

UC

yeN

Upch dyeeenQ T

a

T

s

0

0' '

chQ '

02 / paip

ap

nNnn

Np

Page 28: MOS Transistor

28 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Ladung im Kanal

T

s

U

a

iTsch eN

nUCQ

2

2'' )(

ox

sdepsch

soxsGB C

QQVV

'

'' )()(

sardep eNQ 0' 2

i

aT n

NU ln0

0

02

depQ '

chQ '

ψs

Vo

x

VGB

GBV

s

chQ '

)( fbV

)1(

Vn

NU

i

aT 42.0ln0

Page 29: MOS Transistor

29 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Starke Inversion

ox

sdepsch

sGB C

QQV

'

'' )()(

i

aTs n

NU ln22 0

ox

depch

GB C

QQV

'0

''

0

)2(2

THGBoxch VVCQ ''

ox

dep

GBTH C

QVV

'0

'

00

)2(2)2(

0

02

GBV

s

chQ '

i

aT n

NU ln0

T

s

U

a

iTsch eN

nUCQ

2

2'' )(

sardep eNQ 0' 2

TU62 0

Page 30: MOS Transistor

30 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Schwache Inversion

ox

sdepsch

sGB C

QQV

'

'' )()(

ox

sdep

ssGB C

QV

'

' )()(

n

VV THGBs

02 n

C

C

ox

'

0' )2(

1

)2()2( 0

2

0

0

ss

GBGBGB d

dVVV

0

02

GBV

s

chQ '

i

aT n

NU ln0

T

s

U

a

iTsch eN

nUCQ

2

2'' )(

sardep eNQ 0' 2

depch QQ ''

s

dep

d

dQC

'

T

THGB

nU

VV

Toxch eUCnQ

'' )1(

Page 31: MOS Transistor

31 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Drain Bias

N n=n0=Nd

aip

ap

Nnn

Np

/2

ap Np

eVDB

?pn

N N

Page 32: MOS Transistor

32 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Drain Bias

N n=n0=Nd

T

DBbi

U

VV

dp eNn

dNn 0dNn 0

T

bi

U

V

dp eNn

eVDB

?

Page 33: MOS Transistor

33 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Drain Bias

N n=n0=Nd

aip

ap

Nnn

Np

/2

ap Np

eVDB

T

DB

U

V

a

ikT

E

dp eN

neNn

2

Page 34: MOS Transistor

34 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Drain Bias

T

THGB

nU

VV

Toxch eUCnQ

'' )1(

THGBoxch VVCQ ''

ox

dep

GBTH C

QVV

'0

'

00

)2(2)2(

DBV 00 22

T

DG

U

V

a

i

a

i eN

n

N

n

22

DBTHTH nVVV

DBTHGBoxch nVVVCQ ''

nC

C

ox

'

0' )2(

1

T

DB

T

THGB

U

V

nU

VV

Toxch eeUCnQ

'' )1(

ox

arGBTH C

eNVV

'00

00

222)2(

i

aT n

NU ln0

Page 35: MOS Transistor

35 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Drain und Source Bias

N n=n0=Nd

ap Np

T

DB

U

V

pkT

E

dp eneNn

0

eVDB

T

SB

U

V

pkT

E

dp eneNn

0

Page 36: MOS Transistor

36 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Ladung im Kanal

xTHGSoxch nVVVCQ ''

T

x

T

THGS

U

V

nU

VV

Toxch eeUCnQ

'' )1(n

C

VC

ox

SB

'0

' )2(1

ox

SBarTH C

VeNV

'00

0

222

),0( DSx VV

ox

arTH C

eNV

'00

00

222

xTHGBoxch nVVVCQ 0''

T

x

T

THGB

U

V

nU

VV

Toxch eeUCnQ

0

'' )1(

),( DBSBx VVV

Page 37: MOS Transistor

37 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Gate Bias

N NN N

Q‘G

ψs

Na

Vox

VGB

Q‘ch

tox

Page 38: MOS Transistor

38 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Gate Bias

Q‘G

ψs

Na

Vox

VGB

Q‘ch

tox

THGBoxch VVCQ ''

ox

arGBTH C

eNVV

'00

00

222)2(

nC

C

ox

'

0' )2(

1

T

THGB

nU

VV

Toxch eUCnQ

'' )1(

Page 39: MOS Transistor

39 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Source Bias

N NN N

Q‘G

ψs

Na

Vox

VGB

Q‘ch

tox

SBs V 02

02 s

Page 40: MOS Transistor

40 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Source Bias

Q‘G

ψs

Na

Vox

VGB

Q‘ch

tox

THGSoxch VVCQ ''

T

THGS

nU

VV

Toxch eUCnQ

'' )1(

nC

VC

ox

SB

'0

' )2(1

ox

SBarTH C

VeNV

'00

0

222

ox

arTH C

eNV

'00

00

222

SBTHGBoxch nVVVCQ 0''

Page 41: MOS Transistor

41 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Drain Bias

N NN N

Page 42: MOS Transistor

42 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Drain Bias

xTHGSoxch nVVVCQ ''

nC

VC

ox

SB

'0

' )2(1

ox

SBarTH C

VeNV

'00

0

222

ox

arTH C

eNV

'00

00

222

xTHGBoxch nVVVCQ 0''

T

x

T

THGS

U

V

nU

VV

Toxch eeUCnQ

'' )1(

T

x

T

THGB

U

V

nU

VV

Toxch eeUCnQ

0

'' )1(

),( DBSBx VVV

Page 43: MOS Transistor

43 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Schwache Inversion

N N

eVDB

0chQT

DS

U

V

ch eQ

0

0xE

Page 44: MOS Transistor

44 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Starke Inversion

N N

eVDB

0xE

Page 45: MOS Transistor

45 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Starke Inversion - Drainstrom

)()( ' xconstdx

dVQWxI x

ch

dxdx

dVQWdxI x

ch '

DSV

xch

L

dVQWIdx0

'

0

0

eVDB

LX

eVx

DSV

xchdVQWIL0

'

DSV

xchdVQL

WI

0

' xTHGSoxch nVVVCQ ''

Page 46: MOS Transistor

46 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Schwache Inversion - Drainstrom

eVDB

0chQT

DS

U

V

ch eQ

0

0xE

)()('

xconstdx

dQWDxI

ch

T

x

T

THGS

U

V

nU

VV

Toxch eeUCnQ

'' )1(

dxdx

dQWDdxxI

ch'

)(

DSV

xx

chL

dVdV

dQWDIdx

0

'

0

Vx = 0 Vx = Vds

0 L

DSV

xch

T

dVQU

DWLI

0

' DSV

xchdVQL

WI

0

'

Page 47: MOS Transistor

47 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Starke und Schwache Inversion

T

x

T

THGS

U

V

nU

VV

Toxch eeUCnQ

'' )1(

DSV

xchdVQL

WI

0

'

xTHGSoxch nVVVCQ ''

2

2' DS

DSGSToxVnVV

L

WCI

TUDSV

T

GST

eeUnL

WCI nU

V

Tox 1)1( 2'

22'DBGBTSBGBTox nVVnVV

L

WCI

0; TGBGBTTGSGST VVVVVV

Page 48: MOS Transistor

48 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Schwache Inversion

T

x

T

THGS

U

V

nU

VV

Toxch eeUCnQ

'' )1(

TUDSV

T

GST

eeUnL

WCI nU

V

Tox 1)1( 2'

Ids

Vds

n UT

Page 49: MOS Transistor

49 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Starke Inversion

xTHGSoxch nVVVCQ ''

2

2' DS

DSGSToxVnVV

L

WCI

Ids

Vds

n

VV THGS

n

V

L

WCI GST

ox2

2'

+

-

Page 50: MOS Transistor

50 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

EKV

Ids

Vds

THGS VV

22'DBGBTSBGBTox nVVnVV

L

WCI

0; TGBGBTTGSGST VVVVVV

+

-

Page 51: MOS Transistor

51 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

BSIM - Drainstrom

xTHGSoxch nVVVCQ ''

satx EE /10

)()( ' xconstdx

dVQWxI x

ch

dxdx

dVQWdx

dx

dV

EI x

chx

sat

'

0

11

satsat Evv20

2

1

2'0 DS

GST

sat

DS

ox VnV

LEV

L

WCI

xEv satx EE

satx EE

Page 52: MOS Transistor

52 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

BSIM - Sättigung

2

1

2'0 DS

GST

sat

DS

ox VnV

LEV

L

WCI

0

eVDBSAT

L

)(' LWQvI chsatsat

xGSToxch nVVCQ ''

DSSATGSToxsatsat nVVWCEI '0

2

DSSATGSToxsatDSSAT

GST

sat

DSSAT

oxnVVWCE

VnV

LEV

L

WC

'02'

0

221

Page 53: MOS Transistor

53 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

BSIM - Sättigung

sat

GST

GSTDSSAT

nLE

Vn

VV

1

n

V

nLEV

L

WCI GST

sat

GST

ox

sat 21

2'0

2

2'0 GSTox

sat

V

L

WCI

Ids

Vds

42.1

57.0

/4.6

/4.2

/025.0

/067.0

/3

85.02

11

26

20

20

2'

0

0

n

VV

mVE

mVE

Vsm

Vsm

mfFC

V

mVU

TH

sp

sn

p

n

ox

si

T

Page 54: MOS Transistor

54 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Transkonduktanz

n

V

nLE

VL

WCI GST

sat

GST

ox

sat 21

2'0

T

GST

nU

V

Toxsat eUnL

WCI 2' )1(

n

V

L

WCI GSTox

sat 2

2'0

GSToxsatGSToxsatsat VWCvVWCEI ''0

2

gm

I

T

sat

nU

I oxsatWCv '

gm

VGST

Page 55: MOS Transistor

55 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

BSIM – Early Effekt

n

V

nLEV

L

WCI GST

sat

GST

ox

sat 21

2'0

2

1

2'0 DS

GST

sat

DS

ox VnV

LEV

L

WCI

)( DSSATDS

VDSsat VV

V

III

DSSAT

Ids

Vds

A

DSSATDSsat V

VVII 1

DSSATsatA VLEV

sat

sat

I

LE