circuite integrate analogice celule fundamentale · circuite integrate analogice celule...

Circuite Integrate AnalogiceCelule fundamentale

Facultatea de Electronică Telecomunicații și

Tehnologia Informației

Celule fundamentaleTranzistoare bipolare și MOS

Tehnologia Informației

Doris CsipkesDepartamentul Bazele Electronicii

Din conținut...

joncțiunea pn

modelul semiconductoarelor cu benzi energetic polarizarea, concentrații ale purtătorilor, capacitățile de joncțiune, curentul

tranzistoare bipolare tranzistoare bipolare

modelul cu benzi energetice, funcționare și polarizare pașii de fabricație și structura fizică modelul de semnal mare, regimuri de funcționare și caracteristici modelul de semnal mic și parametrii specifici

tranzistoare MOS cu canal indus

pașii de fabricație și structura fizică

Circuite integrate analogice – Celule fundamentale – Tranzistoare bipolare și MOS 2

pașii de fabricație și structura fizică polarizarea si regimuri de funcționare modelul de semnal mare modelul de semnal mic și parametrii săi capacitățile parazite

Joncțiunea pn – semiconductoare intrinseci și dopate

joncțiunea pn = alăturarea metalurgică a două materiale semiconductoare dopate complementar p și n

doparea de tip p → un semiconductor intrinsec (ex. Si) dopat cu impurități acceptoare → coloana 3 din tabelul periodic → exces de goluri

doparea de tip n → un semiconductor intrinsec (ex. Si) dopat cu impurități donoare → coloana 3 din tabelul periodic → exces de goluri

funcționarea depinde de modelul cu benzi energetice

distribuțiaFermi-Dirac


1( )1

FF E EkT

f Ee

Fermi-Dirac

Joncțiunea pn – semiconductoare intrinseci și dopate

doparea modifică modelul cu benzi energetice a semiconductoarelor intrinseci

banda interzisă efectivă scade și deplasarea nivelului Fermi faciliteză formarea de purtători liberi → conducția


la temperaturi >0K electronii se pot deplasa in banda de conducție sau golurile în banda de valență → purtători de sarcină mobili → curent de conducție

Joncțiunea pn nepolarizată – modelul cu benzi energetice

joncțiunea pn in echilibru nepolarizată→ potențialul intrinsec: 0 2ln A DT

i

N NVn

ioni pozitivi și negativi → câmp electric intern care accelerează purtătorii liberi prin limita dintre materiale → difuzie de purtători


limita dintre materiale → difuzie de purtători

recombinarea elecroni-goluri până neutralitatea sarcinilor este atinsă și câmpul electric intern este compensat

regiunea de golire la limita dintre materialele cu ioni, dar fără purtatători liberi → izolare efectivă între materialele de tip p și n

Joncțiunea pn polarizată

polarizare inversă → polarizarea întărește câmpul electric intern, regiunea de golire se lățește și bariera de potențial crește → curent zero

polarizare directă → polarizarea compensează câmpul electric intern, regiunea de golire se îngustează și bariera de potențial scade → difuzia purtătorilor și curent prin joncțiune


Joncțiunea pn capacități și curenți

semiconductoarele dopate împreună cu regiunea de golire → condensator

Cj0 depinde de concentrația dopantului și de constante de material

capacitatea joncțiunii 0

0

1

jj

D

CC

V

capacitatea joncțiunii nepolarizate

tensiune de polarizare

potențial intrinsec

curentul prin joncțiune → determinat din ecuația difuziei


1D

T

VnV

D SI I e

curentul prin joncțiune → determinat din ecuația difuziei

IS – curent de saturație dependent de temperatură

VT – tensiunea termică

n – coeficientul de gradare a joncțiunii (=1 la joncțiuni abrupte)

Tranzistoare bipolare

tranzistor bipolar = alăturarea a două joncțiuni pn astfel încât unul din materiale să fie folosit la comun

dispozitiv cu 3 terminale controlate în curent:

emitor (E) – sursa purtătorilor emitor (E) – sursa purtătorilor

baza (B) – controlează fluxul de purtători și implicit curentul

colector (C) – capturează purtătorii și îi elimină din dispozitiv

npn sau pnp depinde de tipul de dopant

doar cazul npn e discutat, pnp e similar având tensiunile de polarizare și curenții negativi

substratul este uneori lăsat neconectat → tensiunea controlată prin proiectare


substratul este uneori lăsat neconectat → tensiunea controlată prin proiectare

Tranzistoare bipolare

tranzistor npn nepolarizat în echilibru → joncțiunile și modelul său cu benzi energetice

BEE BCE

nivelul Fermi este identic pentru toate cele trei straturi

ambele joncțiuni sunt neutre dpv electric cu potențial intrinsec și câmp electric propriu


ambele joncțiuni sunt neutre dpv electric cu potențial intrinsec și câmp electric propriu

regiuni de golire la limita ambelor joncțiuni

bariere de potential → curent zero

dispozitivul necesită polarizare → tensiuni corespunzătoare aplicate la terminale

Tranzistoare bipolare - polarizarea

joncțiunea BC polarizată invers→ regiunea de golire se lățeste

electronii minoritari din bază sunt atrași de potențialul pozitiv al colectorului → migrația de la B la C

bariera de potențial BC oprește difuzia electronilor câtre B

de unde vin electronii minoritari din bază??

juncțiunea BE polarizată direct → regiunea de golire scade

permite o concentrație mai mare de electroni în B

electronii migrează de la E la C → curentul are sensul de la C la E


Tranzistoare bipolare – sensul curenților

nu toți electronii din bază ajung în colector → tipic ~1% sunt eliminați prin terminalul bazei → curentul de bază nu este zero → câștig de curent (β)

curentul este asociat cu mișcarea golurilor → sensul curentului este opus cu mișcarea electronilor → săgeata din emitor arată sensul curentului → condiții adecvate de polarizare


E B C

C B

CE BE CB

I I II IV V V

Tranzistoare bipolare – pași de fabricație simplificați

pași succesivi de mascare, formare,gravură, implantare de ioni și creștere epitaxială

exemplu: tranzistor npn vertical

Pasul 1: implantarea stratului îngropat de C n+ pe un substrat p¯ slab dopat

Pasul 2: creștere epitaxială n¯ pentru contactul vertical de colectorde C n+ pe un substrat p¯ slab dopat pentru contactul vertical de colector

CC


CC


Pasul 3: implantarea regiunilor p+ → difuzia bazei și izolarea dispozitivelor adiacente

B

B

C


Alternativă la izolarea dispozitivelor adiacente → gravarea unor adâncituri în stratul epitaxial și umplerea cu izolator

C


Pasul 4: implantarea regiunilor n+ → zona emitorului și conexiunea verticală de colector

BB

B

C

E

E


B

C

Joncțiunile sunt create într-o configurație verticală → tranzistor npn vertical


Pasul 5: contactele metalice și pasivizarea suprafeței cu SiO2 → tranzistorul final


Tranzistoare bipolare – modelul de semnal mare

definirea curentului de colector ca o funcție de tensiunile de polarizare, gradienți de concentrație și constante de material

Electronii minoritari difuzați din E în B: 0(0)BE

T

VV

p pn n e


Gradientul de recombinare în B: ( ) (0) 1p pB

xn x nW

( ) (0)p p

B

dn x ndx W

0BE

T

S

VE n p V

C E nB

I

qA D nI A J e

W

Curentul de colector: BE

T

VV

C SI I e

curent de saturație

Tranzistoare bipolare – efectul Early

potențialul de colector modulează lățimea regiunii de golire BC → lățimea efectivă a bazei se schimbă

0 0BE BE

T T

V VE n p E n pV VC CB BqA D n qA D nI IW We e

1

EAV


0 02( ) ( )

T T

S

E n p E n pV VC CB B

CE CE B CE B CE CE B CE

I

I IW We eV V W V W V V W V

EAVVEA – tensiunea Early

C CEC CE C

CE EA

I VI V IV V

* 1 CEC C C C

EA

VI I I IV

* 1BE

T

VV CE

C SEA

VI I eV

termenul de corecție a curentului

Tranzistoare bipolare – saturația

VCE=VBE+VCB → daca VCE<VBE → VCB<0 → joncțiunea BC este polarizată direct

lățimea regiunii de golire BC scade → migrație de purtători de C în B

ambele joncțiuni BE și BC injectează purtători în bază

datorită concentrației mari de purtători în bază câștigul de curent β nu mai este relevant → curentul de bază crește semnificativ

în practică VCE nu poate fi prea mic → polarizarea ! CB

II


Tranzistoare bipolare – caracteristici dependența neliniară a curentului de colector IC cu VBE și VCE :

caracteristica de transfer → are semnificație doar în RAN

caracteristica de ieșire

o familie de curbe dependente de V

1BE

T

VV CE

C SEA

VI I eV

o familie de curbe dependente de VBE

definește regimurile de funcționare (saturația si RAN)

CE

C BE V ctI f V

Caracteristica de transferCaracteristica de ieșire

BE

C CE V ctI f V

OP


OPOP

Modelul de semnal mic

semnal mic= variații infinitezimale ale tensiunilor și curenților

curentul de colector neliniar este liniarizat în jurul PSF

SCCTImportant: parametrii de semnal mic sunt

1 11

BEBE

B CB m

BE BE

Vr I II gV V

11BEV

VC CE CI V Ig I e

rezistența bază-emitor de semnal mic, sute de kΩ

transconductanța de semnal mic, mS → panta carecteristicii de transfer în jurul PSF

Important: parametrii de semnal mic sunt dependenți de PSF!!!


1 1BE

T

CE EACE V

CC CVS

CE EA

V Vr II II eV V

11TVC CE Cm S

CE EA T T

I V Ig I eV V V V

panta carecteristicii de transfer în jurul PSF

resistența colector-emitor de semnal mic, sute de kΩ → inversul pantei caracteristicii de ieșire în RAN

Modelul de semnal mic și înaltă frecvență

include efectele capacităților parazite și rezistențele serie ale terminalelor

rB, rC, rE – rezistențe asociate cu contactele B, C si E CCS – capacitate de jonctiune colector-substrat (o funcție de tensiunea VCS ) CBC – capacitate de tip joncțiune bază-colector CBE – capacitate parazită bază-emitor : C C C


CBE – capacitate parazită bază-emitor : BE BE dep BE diffC C C

capacitate de joncțiune bază-colector

capacitate de difuzie BE datoratădeplasării sarcinii ca un efect al

modificării tensiunii VBE


capacitățile → β dependent de frecvență → β(s)

determină răspunsul în frecvență1 1|| ||

C m BE

BE B BEBE BC

i g v

v i rsC sC

colectorul la masă, rezistențele contactelor de C și E se neglijează

BE BCsC sC

0( )

1 BE BE BC

ss r C C


fT – frecvența de tranzit

Tranzistoare MOS cu canal indus

tranzistoare MOS cu canal indus (Metal-Oxide-Semiconductor) = dispozitiv cu 4 terminale controlat în tensiune:

sursa (S) – sursa purtătorilor majoritari

grila (G) – terminal de control, izolat electric grila (G) – terminal de control, izolat electric

drena (D) – terminal țintă pentru purtători

substratul sau bulk (B) – contact la dispozitie în mod explicit, care necesită polarizare

tranzistor MOS cu canal-n (NMOS) sau canal-p (PMOS) depinde de tipul de semiconductor

doar cazul NMOS este discutat, PMOS este similar dar are toate tensiunile de polarizare și curenții negativi


analogic digital

Tranzistoare MOS - structura

proces de fabricație n-well cu substrat p¯ slab dopat

tranzistoarele NMOS sunt realizate pe substrat, iar PMOS stau într-o “covată” n-well


tranzistoarele NMOS sunt realizate pe substrat, iar PMOS stau într-o “covată” n-well

grila de polisiliciu e izolată de semiconductor de un strat subțire de izolator SiO2

contactul de substrat (bulk) la dispoziție pentru polarizare (vezi latch-up)

dispozitivele sunt izolate unele de altele (similar ca la TB)

Tranzistoare MOS – pași de fabricație simplificați

pași succesivi de mascare, formare,gravură, implantare de ioni și creștere epitaxială

1 2

3 4


5 6

Funcționarea structurii fizice

tranzistor MOS nepolarizat → joncțiunile substrat-sursă și substrat-drenă nepolarizate → regiunile de golire din jurul S și D → nu avem curent prin dispozitiv

potențial de grilă pozitiv mai mic decât VTh → electronii minoritari din substrat sunt atrași de G → regiunea de golire se extinde sub grilădatoritaă recombinării electroni-goluri


VGS crește peste VTh → strat de inversiune (canal) sub grilă → curent de purtători majoritari → condiția fundamentală pentru conducție

Funcționarea structurii fizice

tensiune VDS mică → joncțiunea substrat drenă polarizată invers → regiunea de golire este extinsă în jurul drenei → canal asimetric

purtătorii sunt accelerați spre D prin contactul ohmic S-D → regim liniar (triodă)→ rezistența ohmic S-D → regim liniar (triodă)→ rezistența controlată în tensiune

VDS ≥ VDSat → regiunea de golire din jurul drenei determină întreruperea canalului (pinch-off) → saturația

Regimul de


Regimul de operare VGS VDS Canalul

blocat < VTh

nu contează,înafara cazului

când se străpungenu

linear (triodă ) > VTh 0 < VDS < VDsat da, pinch-off

saturat > VTh VDS > VDsat da, pinch-off

Modelul de semnal mare

modelul de semnal mare → dependența curentului ID de VGS și VDS

2

ox DSC W VI V V V

Regim liniar

2

ox DSD GS Th DS

DS DSat

C W VI V V VL

V V

2

2ox

D GS Theff

DS DSat

C WI V VL

V V

Saturație DSat GS ThV V V

Modulația lungimii canalului:

( )eff pinch DSL L X V

pinch pinchD D DX XI I I


µ – mobilitatea purtătorilor Cox – capacitatea specifică a oxiduluiW, L – lățimea și lungimea tranzistorului Leff – lungimea efectivă a canalului λ – coeficient de modulație a L

pinch pinchD D DD

DS pinch DS eff DS

X XI I I IV X V L V

2* 12

oxDD D DS GS Th DS

DS

C WII I V V V VV L

termen de corecție

Polarizarea substratului

tranzistoarele bipolare parazite și rezitențele de material într-un NMOS și PMOS adiacente crează o buclă de reacție pozitivă → tiristor

orice tensiune/curent nedorit poate amorsa bucla și crează un scurtcircuit între liniile de alimentare→ latch-up

fiecare tranzistor bipolar trebuie dezactivat → substratul pus la masă pentru NMOS (baza de tip p) și conectat la potențial pozitiv pentru PMOS (baza de tip n)


0 0 02 | | 2 | |Th BS Th BSV V V V Efectul VBS asupra tensiunii de prag:

Modelul de semnal mic în saturație

variații infinitezimale ale tensiunilor și curenților → curentul neliniar de drenăliniarizat în jurul PSF

Important: parametrii de semnal

mD gIg

2 2D D Dm

GS DSat ox

I I LIgV V C W

transconductanța de substrat, o fracțiune din

transconductanța de semnal mic, sute de µS → panta caracteristicii ID(VGS) în jurul PSF

Important: parametrii de semnal mic sunt dependenți de PSF !!!


02 | | | 2 |mD

mbBS BS

gV V

1 1DSDS

D DDsat

DS sat

VrI II

V

transconductanța de substrat, o fracțiune din gm (~ 20-25% pentru MOSFET cu canal scurt)

resistența drenă-sursă, sute kΩ → inversul pantei caracteristicii ID(VDS) în jurul PSF în regim saturat

Capacitățile parazite

0BSjBS

CC 0BDjBD

CC

OLS OLD OL oxC C WL C

COLS, COLD – capacități de suprapunere ale S și D

CjBS,CjBD, CjBch – capacități de joncțiune sursă-substrat, drenă-substrat și canal-substrat

0

1jBS

BS

BS

CV

0

1jBD

BD

BD

CV


canal-substrat

Cch – capacitate grilă-canal (sau simplu capacitate de canal) → depinde de regimul de funcționare

Fiecare capacitate contribuie la capacitatea parazită totală dintre terminale, depinzând de regimul de funcționare.

Bibliografie

B. van Zeghebroeck, Principles of Semiconductor Devices, online book, http://ecee.colorado.edu/~bart/book/book/index.html

P.E. Allen, D.R. Holberg, CMOS Analog Circuit Design, Oxford University Press, 2002 P.E. Allen, D.R. Holberg, CMOS Analog Circuit Design, Oxford University Press, 2002

B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, McGraw-Hill, 2002

D. Johns, K. Martin, Analog Integrated Circuit Design, Wiley, 1996


circuite integrate analogice celule fundamentale · circuite integrate analogice celule...

Documents