Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 7: MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) (Phần 1) - Hồ Trung Mỹ
MOSFET
• Giới thiệu
• Khảo sát định tính hoạt động của MOSFET
• Tụ điện MOS
• Hoạt động của MOSFET
• Một số đặc tính không lý tưởng
• Mạch tương đương tín hiệu nhỏ
• Giới thiệu 1 số ứng dụng của MOSFET
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 7: MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) (Phần 1) - Hồ Trung Mỹ", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
Tóm tắt nội dung tài liệu: Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 7: MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) (Phần 1) - Hồ Trung Mỹ
1Chương 7 MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐT BMĐT GVPT: Hồ Trung Mỹ Môn học: Dụng cụ bán dẫn 2MOSFET • Giới thiệu • Khảo sát định tính hoạt động của MOSFET • Tụ điện MOS • Hoạt động của MOSFET • Một số đặc tính không lý tưởng • Mạch tương đương tín hiệu nhỏ • Giới thiệu 1 số ứng dụng của MOSFET 3Các loại FET (1/2) Các loại FET (2/2) • FET kênh p JFET (chế độ nghèo) kênh n MOSFET kênh p kênh n giàu nghèo giàu nghèo • giàu=enhancement • nghèo=depletion • MESFET có cả 2 chế độ giàu và nghèo 5MOSFET 6MOSFET – Cơ bản Giới thiệu • Trên 99% các IC được chế tạo bằng MOSFET, thí dụ như: bộ nhớ ROM, RAM, vi xử lý, ASIC và nhiều IC chức năng khác. • Vào năm 2000, 106 MOSFET/người/năm được chế tạo. • MOSFET có thành phần cơ bản là kim loại (M=Metal), lớp cách điện SiO2 (O=Oxide), và bán dẫn (S=semiconductor) • Các tên gọi khác của MOSFET là MISFET (Metal-Insulator- Semiconductor), IGFET (Insulated Gate FET). • Nguyên tắc hoạt động của FET là dòng hạt dẫn từ nguồn điện máng được điều khiển bằng điện áp cổng hay điện trường cổng. Điện trường này làm cảm ứng điện tích trong bán dẫn ở giao tiếp bán dẫn-oxide. 7Cấu trúc của MOSFET (loại giàu) Si • Kênh điện tử (loại N) được cảm ứng trong bán dẫn P do các điện tích dương ở cổng. • Gọi tắt là N-EMOS (MOSFET loại giàu kênh N) • Kênh lỗ (loại P) được cảm ứng trong bán dẫn N do các điện tích âm ở cổng. • Gọi tắt là P-EMOS (MOSFET loại giàu kênh P) 8Khảo sát định tính về hoạt động của MOSFET • Ta thấy rõ là tất cả các FET (JFET, MESFET và MOSFET) có đặc tuyến ra tương tự nhau. Ta sẽ bàn MOSFET loại giàu kênh N (N-EMOS) ở đây. • Ta phân biệt 3 chế độ điện áp khác nhau cho VDS, cụ thể là (1) VDS = 0, (2) VDS > 0, và (3) VDS >> 0. 9(1) VDS rất nhỏ (VDS ≈ 0) • VGS = 0 Trong trường hợp này, không có dòng DS. Tại sao? Bởi vì ta có các tiếp xúc n+pn+, nghĩa là như 2 diode mắc đâu lưng nhau, ngược chiều nhau nên ngăn dòng điện DS. • VGS > 0 Ta có điện áp cổng hơi dương hơn. Đây là chế độ nghèo. Các lỗ trong bán dẫn bị đẩy xuống dưới do điện tích dương ở cổng. Bán dẫn bị nghèo hạt dẫn tự do và miền nghèo được tạo ra. • VGS >> 0 Ta có điện áp ở cổng rất dương. Đây là chế độ đảo ngược (inversion mode). Các điện tử được cảm ứng gần giao tiếp oxide-bán dẫn. Có dòng điện tử chạy từ S đến D. Độ lớn của điện áp cổng quyết định độ lớn của dòng điện SD. 10 (2) Điện áp DS nhỏ (VDS > 0) và VGS >> 0 (chế độ đảo ngược) • Điện trường trong miền oxide cao nhất ở đầu nguồn S của kênh. Như vậy các điện tử được cảm ứng gần nguồn S. • Điện trường trong miền oxide thấp nhất ở đầu máng D của kênh. Như vậy có ít điện tử được cảm ứng gần máng D. • Khi tăng điện áp DS có 2 hiệu ứng: ID tăng Các có ít điện tử hơn ở đầu máng D của kênh ID theo VDS bắt đầu có độ dốc giảm. 11 (3) Điện áp DS lớn (VDS >> 0) vàVGS >> 0 (chế độ đảo ngược) • Điện trường trong miền oxide cao nhất ở đầu nguồn S của kênh. Như vậy có nhiều điện tử ở gần nguồn S. • Điện trường trong miền oxide rất thấp hoặc zero ở đầu máng D của kênh. Như vậy không có điện tử tự do gần máng. Kênh dẫn bị ngẹt (pinch off). • Minh họa: • Các điện tử đi qua miền điện tích không gian của tiếp xúc pn+ bị phân cực ngược Điện tích không gian dòng máng bão hòa 12 N-EMOS - Mô tả định tính p-si N+ N+ 0 < VG < VTN ; VDS nhỏ hoặc lớn không có kênh dẫn, không dòng điện (VTN = điện áp ngưỡng MOS kênh N) VG > VTN ; VDS 0 ID tăng theo VDS VG > VTN; VDS nhỏ, > 0 ID tăng theo VDS , nhưng tốc độ tăng bị giảm VG > VTN; VDS nghẹt (pinch-off) ID đạt đến giá trị bão hòa, ID,sat Giá trị VDS được gọi là VDS,sat VG > VTN ; VDS > VDS,sat ID không tăng nữa, miền bão hòa. lớp đảo ngược miền nghèo Hình 7.1 13 Đặc tuyến ID-VDS cho N-EMOS được suy từ mô tả định tính Miền bão hòa Miền tuyến tính Hình 7.2 14 Đặc tuyến ID-VDS với N-EMOS kênh dài ( L << L), với nhiều giá trị khác nhau của VG VG > VTN tăng VG < VTN Hình 7.3 VG tăng • MOSFET kênh dài được định nghĩa là dụng cụ có độ rộng và chiều dài đủ để bỏ qua các hiệu ứng cạnh từ 4 phía. Chiều dài kênh L phải lớn hơn nhiều tổng các miền nghèo tại máng và nguồn. • Thực tế: L > 1 m là MOSFET kênh dài và L ≤ 1m là MOSFET kênh ngắn 15 Tụ điện MOS Công thoát (Work Function) • Ái lực điện tử (Electron Affinity) & Công thoát (Work Function) là các số đo của vật liệu cho biết cần bao nhiêu năng lượng để điện tử đến được chân không (EVAC) Ái lực điện tử: năng lượng cần chuyển điện tử từ EC vào chân không Công thoát: năng lượng cần chuyển điện tử từ mức Fermi vào chân không • Công thoát của các vật liệu khác nhau: VAC Cq E E FCS EEqq EVAC 16 Công thoát của một số vật liệu Hình 7.4 17 Quy ước về điện áp • Xét 2 vật liệu 1 và 2 như hình minh họa ở hình 7.5 với các công thoát (work function) φ1 và φ2 tạo nên 1 chuyển tiếp (junction). • Ta luôn luôn tham chiếu các điện áp so với vật liệu 2. • Thế điện hóa (electrochemical potential) của vật liệu 1 so với vật liệu 2 là φ1 − φ2. Từ đó điện áp có sẵn (built-in volatge) của cấu trúc này theo định nghĩa là điện áp dùng để đồng chỉnh 2 mức năng lượng: Vbi = −(φ1 − φ2) Điện áp cần đưa vào để tạo nên các dãi phẳng (flat bands) trong chuyển tiếp là Vfb = −Vbi. • Bây giờ ta xét một tụ MOS . Hình 7.6c cho thấy giản đồ năng lượng của dụng cụ với phân cực zero trên cấu trúc MOS và V = Vfb được đưa vào vật liệu 1 so với vật liệu 2. • Theo quy ước của chúng ta thì Vbi = −(φm − φs) = −φms • Trong thí dụ này thì φms âm và dẫn đến Vbi là số dương.Từ đó Vfb = −Vbi ta có Vfb = φms . Khi áp dụng vào trường hợp này ta thấy Vfb âm EF1 EF2 EF q 1 q 2 q( 1- 2) -qVbi 18 Hình 7.5 a) Giản đồ năng lượng trước khi tạo thành tiếp xúc: b) Giản đồ năng lượng sau khi tạo thành tiếp xúc: EVAC = mức năng lượng chân không 19 Hình 7.6 (1/2) (b) Giản đồ năng lượng của kim loại được cách ly, oxide, và bán dẫn. Trên hình cho thấy công thoát kim loại, công thoát bán dẫn và ái lực điện tử (electron affinity) (a) Sơ đồ của tụ điện MOS. Vbi = −(φm − φs) = −φms Vfb = −Vbi = φms 20 Hình 7.6 (2/2) (c) Giản đồ năng lượng của cấu trúc MOS trong điều kiện cân bằng và trong dải phẳng (flatband) 21 Điện áp dải phẳng Vfb Điệp áp dải phẳng (Flatband Voltage) Là điện áp được đưa vào ở cổng sao cho không có bẻ cong dải năng lượng trong bán dẫn Hình 7.7 22 Hình 7.8: Hiệu số công thoát Kim loại-bán dẫn của 1 số vật liệu cổng quan trọng dùng trong dụng cụ MOS. Chú ý dấu của φms với 3 kiểu cổng khác nhau cho NMOS và PMOS. 23 Các chế độ phân cực cho tụ MOS Xuất phát từ vị trí dải phẳng có 3 chế độ phân cực quan trọng cho tụ MOS: 1. Tích lũy lỗ (Hole Accumulation): khi phân cực âm giữa kim loại và bán dẫn 2. Nghèo (Depletion): khi phân cực dương giữa kim loại và bán dẫn 3. Đảo ngược (Inversion): khi phân cực dương giá trị đủ lớn giữa kim loại và bán dẫn 24 Tích lũy lỗ (Hole Accumulation) Tích lũy lỗ (Hole Accumulation): Nếu phân cực âm được đưa vào giữa kim loại và bán dẫn, các dãi hóa trị sẽ bị uốn cong gần với mức Fermi hơn, gây ra sự tích lũy các lỗ ở giao tiếp. Hiệu số giữa mức Fermi trong kim loại và bán dẫn là phân cực được áp đặt. qVG Hình 7.9 25 Nghèo (Depletion) Nghèo (Depletion): Nếu phân cực dương được đưa vào giữa kim loại và bán dẫn, mức Fermi trong kim loại bị giảm đi 1 lượng eV so với bán dẫn, làm cho dải hóa trị đi xa mức Fermi bán dẫn, chỗ gần giao tiếp. Kết quả là mật độ lỗ gần giao tiếp giảm nhỏ hơn giá trị khối trong bán dẫn loại P. Do đó n ~ p ~ 0. qVG Hình 7.10 26 Đảo ngược (Inversion) Nếu phân cực dương ở phía kim loại được tăng thêm nữa, dãi dẫn ở miền oxide-bán dẫn tiến gần đến mức Fermi trong bán dẫn. Điều này làm đảo ngược các điện tích tự do từ lỗ sang điện tử ở giao tiếp và mật độ điện tử ở giao tiếp bắt đầu tăng. Nếu phân cực dương được tăng cho đến khi EC tiến đến sát mức tựa Fermi điện tử gần chỗ giao tiếp, mật độ điện tử trở nên rất cao và bán dẫn gần chỗ giao tiếp có tính chất điện của bán dẫn loại N. Dụng cụ có thể được chuyển từ chế độ nghèo (OFF) sang chế độ đảo ngược (ON) và kết quả là có thể điều chế dòng điện bằng phân cực cổng. qVG Hình 7.11 27 Hình 7.12: Sơ đồ phân bố điện tích, điện trường, và điện thế tĩnh điện trong tụ MOS lý tưởng ở chế độ đảo ngược. Một khi đảo ngược bắt đầu, bề rộng miền nghèo W không tăng nữa do mật độ điện tử tự do cao ở miền giao tiếp. 28 Đặc tuyến điện dung-điện áp của cấu trúc MOS (1/2) Mô hình điện dung tương đương đơn giản cho cấu trúc MOS Điện dung trên 1 đơn vị diện tích Tụ MOS Hình 7.13 29 Capacitance-Voltage Characteristics 30 31 32 Đặc tuyến điện dung-điện áp của cấu trúc MOS (2/2) Sự phụ thuộc tiêu biểu của điện dung MOS với điện áp. Đường cong (i) cho tần số thấp và đường cong (ii) cho tần số cao. Tần số thấp Tần số caoTích lũy Miền tích lũy Dải phẳng Nghèo Đảo ngược yếu Đảo ngược mạnh Đảo ngược Hình 7.14 33 Hoạt động của N-EMOS 34 Điệp áp ngưỡng của tụ MOS lý tưởng • Điện tích tổng cộng của dụng cụ MOS (hay bất kỳ dụng cụ nào) là zero. • Như vậy với trung hòa điện tích cần có: Với QM2D=điện tích kim loại, QS2D=điện tích bán dẫn, QD2D=điện tích miền nghèo, và Qn2D=điện tích điện tử. Q2D= điện tích trên 1 đơn vị diện tích QD2D= -qNAWD (WD=bề rộng miền nghèo) 2 2 2 2( )D D D DM S D nQ Q Q Q 35 Sụt áp trên tụ MOS là với Chú ý: với Điện dung Điện dung trên đơn vị diện tích Diện tích Ở ngưỡng, kênh điện tử được cảm ứng tại giao tiếp O-S. Điều này xảy ra khi bắt đầu có đảo ngược mạnh 36 Khi bắt đầu đảo ngược mạnh: Thay các phương trình (23) (25) vào (19) và (21) cho Như vậy điện áp ngưỡng VTH là tổng của sụt áp trong oxide và trong bán dẫn khi bắt đầu có đảo ngược mạnh. Pt (26) áp dụng cho cấu trúc MOS lý tưởng. q q 37 Điện dụng của tụ MOS lý tưởng Điện dung của tụ oxide: Điện dung của miền nghèo Ta có 2 tụ mắc nối tiếp, như vậy điện dung tổng cộng là: 38 Hình sau cho ta thấy đường cong CMOS2D-V. Chú ý là WD phụ thuộc vào V. 39 Bàn về đường cong CMOS2D theo V Tích lũy Lỗ được tích lũy tại giao tiếp O-S Nghèo Độ dày của miền nghèo tăng theo V Bắt đầu đảo ngược mạnh 40 Tần số thấp Kênh đảo ngược được tạo ra tại giao tiếp O-S Tần số cao Các cặp điện tử-lỗ được sinh ra quá chậm không theo kịp tín hiệu AC của mạch đo 41 Tụ MOS thực tế Tổng quát, có hiệu công thoát giữa kim loại và bán dẫn. Nghĩa là Hiệu công thoát Thường có các điện tích bị bẫy vào oxide, thí dụ các ion Na+. Các điện tích oxide tạo ra điện áp 42 Giản đồ năng lượng với và Không có điện áp đưa vào Trường hợp dải phẳng, có điện áp đưa vào Mức chân không Mức chân không 43 (Điện áp dải phẳng) Cộng các phương trình (32) và (33) cho Với QOX là điện tích dương hiệu dụng tại giao tiếp O-S (Điện áp ngưỡng) Phương trình (26) đúng cho cấu trúc MOS lý tưởng. Trong trường hợp cấu trúc MOS thật, ta phải kể đến các hiệu ứng của hiệu công thoát và điện tích oxide. Điện áp ngưỡng của cấu trúc MOS thật là: 44 Hoạt động của MOSFET Với QM2D = điện tích kim loại (metal charge), QS2D = điện tích bán dẫn, QD2D = điện tích miền nghèo, và Qn2D = điện tích điện tử. Q2D = điện tích/đơn vị diện tích 45 46 Sự xấp xĩ kênh dẫn biến đổi đều Hình 7.15 47 48 49 50 51 Hỗ dẫn 52 Tóm tắt cách tìm quan hệ dòng và áp trong N-EMOS (4.2)oxox ox C t 12 11 03.9 3.9 8.854 10 3.45 10 F/mox ( ) ( ) V (4.3)ox GS tdq C Wdx x ( ) ( ) ( ) d x E x E V dx ( ) ( ) (4.4)n n dx d x E x dt dx dq dq dx i dt dx dt ( ) ( ) Vn ox GS t d x i C W x dx ( ) ( ) VD n ox GS t d x i i C W x dx V ( ) ( )D n ox GS ti dx C W x d x 0 0 V ( ) ( ) DSL D n ox GS ti dx C W x d x 21( ) ( V ) (4.5) 2D n ox GS t DS DS W i C L 21 ( ) ( V ) (4.6) 2D n ox GS t W i C L (4.7)n n oxk C 21 ( V ) (saturation region) (4.6a) 2D n GS t W i k L 21( V ) (Triode region) (4.5a) 2D n GS t DS DS W i k L Khi vào miền bão hòa, υDS= υGS - Vt : Aspect ratio of the MOSFET W L (4.2)oxox ox C t Q CV (Tỉ số hình dạng của MOSFET) (2) (1) (3) (4) (5) (6) (5a) (6a) (7) (2) 53 Tóm tắt: N-EMOS trong miền tuyến tính và bão hòa Dòng máng trong miền tuyến tính Với Dòng máng trong miền bão hòa Với Cox Cox VTN VTN VTN VTN VTN = VTH của N-EMOS TD: Đặc tuyến I-V của N-EMOS 2N7000 / 2N7002 / NDS7002A với VTN=2.1V 54 Đặc tuyến ra ID=f(VDS) khi VGS=const Đặc truyền đạt ID=f(VGS) khi VDS=const MOSFET loại giàu và loại nghèo • MOSFET loại giàu (Enhancement MOSFET): Khi MOSFET không có kênh dẫn với VG=0, còn được gọi là chế độ giàu, ta đặt vào điện áp ở cổng để tạo nên kênh dẫn (ON). Đây là loại MOSFET thường dùng trong IC. • MOSFET loại nghèo (Enhancement MOSFET): Khi MOSFET phải có kênh dẫn với VG=0, còn được gọi là chế độ nghèo, ta đặt vào điện áp ở cổng để làm tắt kênh dẫn (OFF). 55 56 Các ký hiệu của MOSFET N-EMOSP-EMOS N-DMOSP-DMOS 57 Tóm tắt đặc tuyến các loại MOSFET 58 Một số đặc tính không lý tưởng • Điều chế chiều dài kênh dẫn (Channel-length modulation) • Hiệu ứng thân (Body effect) • Sự bão hòa vận tốc (Velocity saturation) 59 60 61 62 63 Một số đặc tính không lý tưởng của MOSFET (Xét N-EMOS ở miền bão hòa) • Điều chế chiều dài kênh dẫn: tương tự hiệu ứng Early trong BJT, khi tăng VDS thì điểm nghẹt dịch chuyển về miền nguồn, dẫn đến chiều dài kênh dẫn hiệu dụng nhỏ hơn hay dòng ID tăng lên. Khi đó phương trình dòng điện máng có dạng với = 1/ VA và VA là điện áp Early • Hiệu ứng thân: khi tăng VSB làm điện áp ngưỡng VTN tăng ảnh hưởng đặc tuyến I-V. • Ảnh hưởng của nhiệt độ: khi T tăng VTN và độ linh động giảm dòng ID giảm • Sự bão hòa vận tốc: khi kích thước transistor giảm, độ dày làm oxide mỏng hơn vận tốc điện tử bão hòa và lúc phương trình dòng ID: với =1 2, tùy theo công nghệ. 21 1 2D n ox GS TN DS W I C V V V L 1 2D n ox GS TN W I C V V L 64 65 66 67 68 The Field Effect Transistor A more Advanced Look at the n-channel MOS (enhancement type): NMOS These are some of the basis of IC designs. W/L is important in Scaling transistor sizes. Latest Technology has L = 45 nm
File đính kèm:
- bai_giang_dung_cu_ban_dan_chuong_7_mosfet_metal_oxide_semico.pdf