Download - FET ( Field Effect Transistor) - cvut.cz...FET ( Field Effect Transistor) 1. Funkce závisí pouze na jednom typu nosičů (elektrony nebo díry) 2. Součástka řízená napětím

Transcript
Page 1: FET ( Field Effect Transistor) - cvut.cz...FET ( Field Effect Transistor) 1. Funkce závisí pouze na jednom typu nosičů (elektrony nebo díry) 2. Součástka řízená napětím

Elektronika a Mikroelektronika A4B34EM

5. přednáška

• Unipolární tranzistory

• JFET

• MESFET

• MOSFET

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Tranzistory – základní rozdělení

Unipolární tranzistory

MESFET JFET MOSFET

Za

bu

do

va

kanál

In

du

ko

va

kanál

Ob

oh

aco

va

kanál

Och

uzo

va

kanál

kanál N

kanál P

NM

OS

PM

OS

NM

OS

PM

OS N P N P

kanál P

N P N P

MOSFET - metal oxide field effect transistor semiconductor MESFET – Metal semiconductor field effect transistor JFET – junction field effect transistor

Unipolární tranzistory Obecné vlastnosti

Napětí na řídící elektrodě (gate) ovládá proud mezi elektrodami drain (D) a source (S)

U všech typů je mezi elektrodami D-S tenký vodivý kanál typu n nebo p, jehož vodivost se ovládá elektrickým napětím přiloženým na řídící elektrodu G

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

FET ( Field Effect Transistor)

1. Funkce závisí pouze na jednom typu nosičů (elektrony nebo díry)

2. Součástka řízená napětím (napětí na řídícím hradle ovládá proud mezi D-S)

3. Velmi vysoká vstupní impedance ( 109-1014 )

4. Source a Drain je zaměnitelný

5. Možnost funkce v tzv. Low Voltage Low Current módu 6. Menší šum ve srovnání s BJT 7. Žádná akumulace minoritních nosičů (Rychlé vypínání) 8. Velice malé rozměry, výhodné v integrovaných obvodech

Výhody unipolárních tranzistorů:

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Tranzistor JFET

U tranzistorů JFET je řídící elektroda z polovodiče opačné vodivosti než kanál

Od kanálu není elektricky oddělena a tvoří P-N přechod.

Tento přechod je polarizován závěrně.

Napětím na hradle se moduluje OPN (oblast prostorového náboje), čímž se řídí tloušťka kanálu a tudíž i jeho vodivost

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

P P +

-

+

-

+

-

N

N

Základní princip modulace kanálu JFETu

Gate

Drain

Source

OPN

Page 2: FET ( Field Effect Transistor) - cvut.cz...FET ( Field Effect Transistor) 1. Funkce závisí pouze na jednom typu nosičů (elektrony nebo díry) 2. Součástka řízená napětím

Reálná struktura JFETu

Průřez tranzistory JFET

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Princip činnosti

Při malém napětí UDS

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

OPN

Princip činnosti

Při nulovém napětí na hradle

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

OPN

Výstupní charakteristiky JFETus kanálem N.

Odporová oblast (režim):

Proud drainem je dán:

2

2 2

2

DSDSPGS

P

DSSDS

UUUU

U

II

2

1

P

GSDSSDS

U

UII

Kde IDSS proud drainem při UG = 0, VP prahové napětí

Výstupní charakteristiky a režimy JFET

Oblast saturace:

PGSDS UUU

PGSDS UUU

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Převodní charakteristika

JFET s kanálem N pro UDS = 10V

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Mezní parametry JFETu

Průrazné napětí UDS

maximální ztrátový výkon PDmax

Maximální proud IG

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Page 3: FET ( Field Effect Transistor) - cvut.cz...FET ( Field Effect Transistor) 1. Funkce závisí pouze na jednom typu nosičů (elektrony nebo díry) 2. Součástka řízená napětím

Základní zapojení JFET

Zdroj proudu

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Zdroj proudu IDSS

Zdroj proudu ID<IDSS

Základní zapojení JFET

Nastavení pracovního bodu ve třídě A

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

JFET jako zesilovač malého signálu

Zesilovač se společným sourcem:

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Náhradní lineární obvod

Náhradní lineární obvod zesilovače

Tranzistor MESFET

PN přechod G-S tvoří Schottkyho dioda

Typicky se vyrábějí na GaAs

Využití v vf zesilovačích, přepínačích, atd.

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Tranzistor MOSFET

Tranzistor řízený elektrickým polem

Struktura Kov (Metal M) – oxid (Oxide O) – polovodič (Semiconductor S)

Kov je dnes většinou nahrazen PolySi, oxid tvoří SiO2

Velký vstupní odpor řídící elektrody, až 1014

Tranzistor může být velmi malý ~ 32 nm

Obrovská hustota integrace ~ 1 000 000 000 na čip

Malý odběr ve statickém režimu

Existuje-li vodivý kanál při UGS = 0, jedná se o MOSFET se zbudovaným kanálem

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Struktura tranzistoru NMOS

N+ N+

S D

L

G

Oxid SiO2

PolySi Gate

Difúzní oblast

drainu

Difúzní oblast source

Substrát P

Kanál N

Indukovaný Zabudovaný

Page 4: FET ( Field Effect Transistor) - cvut.cz...FET ( Field Effect Transistor) 1. Funkce závisí pouze na jednom typu nosičů (elektrony nebo díry) 2. Součástka řízená napětím

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Struktura tranzistoru PMOS

P+ P+

S D

L

G

Oxid SiO2

PolySi Gate

Difúzní oblast drainu

Difúzní oblast source

Substrát N

Kanál P

Indukovaný Zabudovaný

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

MOS před spojením jednotlivých částí

oxid

dox

P NA

Evac

eUB

Ec

EFs Ev

es

es

Ei

KOV

EFm

em

Pásová struktura:

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

MOS struktura bez napětí

dox

Kov oxid p NA

+ + +

- - -

xd

QG QD

eUs Evac

eUB

Ec

EFs Ev

es

es

Ei EFm

em

eUbi eUox

Ubi=s- m

pp

np

pp0

npo

ppnp=ni2

x

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Vznik inverzní vrstvy – vodivého kanálu

N+ N+

S D

VG

Substrát N

h h h h h h

h

OPN

Díry

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

MOS struktura + malé napětí na gate UGS < UT

eUB

e(Ubi+UG)

Kov oxid p

dox

+ + +

- - -

xd

QG

QD

+ +

- - +VG

Evac

Ec

EFs Ev

es

es

Ei

EFm

em

eUox

eUs

Ubi=s- m

eUG

USUB

Ochuzená oblast

pp

np

pp0

npo

x

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

MOS struktura - malé napětí na gate UGS < UT + vznik inverzní vrstvy

pp

np

pp0

npo

UB<Us<2UB

Inverzní vrstva

kov oxid p

dox

+ + +

- - -

xd

QG

QD

+ +

- - +VG

- +

Evac

eUB

Ec

EFs

Ev

es

es

Ei

EFm

em

e(Ubi+UG) eVox

eUs

Ubi=s- m

eUG

Page 5: FET ( Field Effect Transistor) - cvut.cz...FET ( Field Effect Transistor) 1. Funkce závisí pouze na jednom typu nosičů (elektrony nebo díry) 2. Součástka řízená napětím

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

MOS struktura – inverzí vodivost napětí a náboje

kov oxid p

dox

+ + +

- - -

xd QG QD

+ +

- -

+UG UB<Us<2UB

- +

x

V

x

-E

x

Q QG

QD

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

MOS struktura – hluboká inverze

Us>2UB

Evac

eUB

Ec

EFs

Ev

es

es

Ei

EFm

em

e(Ubi+UG)

eUox

eUs

eUG

dox xd

QD

QG

kov oxid p +

+ +

- - - + +

- - +UG

- + +

+

pp

np

pp0

npo

Qi -

-

Volný náboj

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

MOS struktura – hluboká inverze napětí a náboje

x

U

x

-E

x

Q

QG

QD

Qi

- - kov oxid p

dox

+ + +

-

xd QG QD

+ +

- - +UG

- + - -

Qi

+

+

vodivý kanál

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

N+ N+

S D

e e e e e e

UG

Vznik inversní vrstvy – vodivého kanálu

e

OPN

elektrony

vodivý kanál

UGS > UT

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

S nenulovým napětím UDS

N+ N+

S D

e e e e e e

L

UDS

G

UGS

UGS > UT

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

e

L

Lef

N+ N+

S G

D Poly Si Oxid

Page 6: FET ( Field Effect Transistor) - cvut.cz...FET ( Field Effect Transistor) 1. Funkce závisí pouze na jednom typu nosičů (elektrony nebo díry) 2. Součástka řízená napětím

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Kolektorový proud (Drain Current):

Lineární oblast ID

UDS

UGS1

UGS2

UGS3

UG

S1 - U

t

UG

S2 - U

t

UG

S3 - U

t

N+ N+

S D

e e e e e e

0 x L

UDS G

UGS

2

2

DSDStGSoxnD

UUUU

L

WCI

Lineární oblast: (UGS > Ut, UDS < UGS - Ut) (Triode region)

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Kolektorový proud (Drain Current):

Saturační oblast ID

UDS

UGS1

UGS2

UGS3

UG

S1 - U

t

UG

S2 - U

t

UG

S3 - U

t

N+ N+

S D

e e e e e

0 x L

VDS

G

VGS

Saturační oblast: (UGS>Ut, UDS >UGS - Ut) (Active region)

p

n n+ drain

2tGSoxnD UUL

WCI

Zaškrcení kanálu

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Kolektorový proud (Drain Current):

Proud Id s modulací délky kanálu - Drain current (with channel

length modulation):

Transkonduktance (Transconductance):

2tGSoxnD UUL

WCI

DStGSoxnD UUUL

WCI

1

2

tGS

DDoxntGSoxnm

UU

II

L

WCUU

L

WCg

22

Saturační oblast: (UGS>Ut, UDS >UGS - Ut)

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Parametr modulace délky kanálu (Channel length modulation

parameter):

Výstupní odpor (Output resistivity):

Substrátová transkonduktance (Body (bulk) transconductance):

LLL DSVL

L

D

OI

r

1

fSB

ms

V

gg

22

m

s

g

g(typicky 0.10.3)

Saturační oblast: (UGS>Ut, UDS >UGS - Ut)

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Mezní frekvence (Transition frequency):

Model pro malé signály v aktivní oblasti (Small-signal model in

active region)

)(2 GSGDGS

mT

CCC

gf

Saturační oblast: (UGS>Ut, UDS >UGS - Ut)

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

N+ N+

P- substrát

Inverzní

vrstva Ochuzená

vrstva

CDB

CG CGD CGS

CSB

CS

dx

CSB

G

S

D

CGD CDB

CGS CGB

CG - kapacita oxidu mezi hradlem a kanálem

oxG WLCC

CS – kapacita vyprázdněné vrtvy mezi kanálem a substrátem

)4/(0 fArS NqWLC

CGS,GD – kapacita přesahu hradla do oblasti kolektoru a emitoru CDB,SB – kapacita prechodu mezi oblastí kolektoru (emitoru) a substrátem. Většinou se rozděluje na kapacitu spodni strany Cj a boční kapacitu Cjsw (velikost se udává na jednotku plochy, délky).

mBR

j

jV

CC

/1

0 jswxjxSBDB CdWCWdCC )(2

Kapacity MOS tranzistoru (MOS Device Capacitances)

Page 7: FET ( Field Effect Transistor) - cvut.cz...FET ( Field Effect Transistor) 1. Funkce závisí pouze na jednom typu nosičů (elektrony nebo díry) 2. Součástka řízená napětím

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

MOS vypnutý

WCCC ovGSGD

2

2

CWLC

CWLCC

ox

ox

GB

MOS v lineární oblasti a VDS << 2 (VGS – Vt0)

ovoxGSGD WCWLCCC 2/

MOS v saturaci

ovoxeffGS WCCWLC 3

2

q = 1.602e-19 C k = 1.38e-23 JK-1

ni = 1.1e16 nosičů/m3 at

T=300° K

0 = 8.854e-12 F/m

Oxid r = 3.9 Křemík r = 11.8

Důležité konstanty

Kapacity tranzistoru MOS (MOS Device Capacitances)

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

C-V charakteristika MOSFETu

Cox

V UT UFB 0

C=dQG/dU Cox

Nízké f

vysoké f

meta

l + - + -

+ -

akumulace náboje

Cox

meta

l +

- +

ochuzená vrstva

Cox

-

xd

CD

meta

l + - +

- + -

hluboká inverze

Cox

-

+

xd

CD

Jiří Jakovenko – Struktury Integrovaných Systémů - A2M34SIS

Struktura CMOS

N+ Source N+ Drain P+ Source P+ Drain

BPSG W Kontakt

Metal1

IMD1 W Via

Metal2

Pasivace Kontaktní Pad

Poly Gate Silicid Spacer

Epitaxní vrstva P-

Křemíkový Substrát P+

P- Jáma N

- Jáma

Complementrary MOS

Indukovaný a zabudovaný kanál NMOS

s

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Indukovaný a zabudovaný kanál PMOS

s

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL

Mezní parametry MOSFETu

Průrazné napětí UDS

maximální ztrátový výkon PDmax

Maximální proud ID

Jiří Jakovenko – Elektronika a Mikroelektronika - Katedra mikroelektroniky – ČVUT FEL