1
VIII PREDAVANJE
TRANZISTORI SA EFEKTOM
POLJA (FET)
2
TRANZISTORI SA EFEKTOM POLJA (FET)-
unipolarni tranzistori
Dva osnovna tipa:
• MOSFET (Metal-oxid-semiconductorfield-efect transistor)-najčešće u upotrebi.
• JFET (junction field-efect transistor) spojni FET;
• MOSFET se realizira tehnološki jednostavnijim postupkom nego JFET.
• MOSFET tranzistori se proizvode sa kanalom „p“ tipa, ili sa kanalom „n“ tipa, te za povećavajući ili za smanjujući način rada (ukupno četiri tipa tranzistora).
3
P- kanalni MOS (PMOS): prvi koji su
uspješno ugrađeni u krugove visokog
stepena integracije (LSI).
• Prvi mikroprocesorski čipovi su koristili
PMOS tehnologiju.
• Bolje performanse su kasnije postignute
uvođenjem u komercijalnu upotrebu N-
kanalnih MOS (NMOS) tranzistora, kako
povećavajućeg, tako i smanjujućeg tipa.
4
Karakteristike MOS kondenzatora
• Središnji dio MOSFET-a je struktura MOS kondenzatora, prikazana na slici:
• Tanki izolacioni sloj ispod vrata, koji je običnosilicium dioksid, razdvaja metalna vrata od silicijumske podloge ili „tijela“ (body), koje predstavlja drugu elektrodu kondenzatora.
• Karakteristike ovog visoko kvalitetnog izolatorapredstavljaju jedan od osnovnih razloga, što je silicijum danas osnovni poluvodički materijal.
5
• Poluvodič koji formira donju elektrodu kondenzatora ima sopstveni otpor i ograničen broj elektrona i šupljina.
• Pod dejstvom vanjskog napona naboj u puluvodičkom materijalu može biti
pomjeren.
a) Oblast akumulacije
• Veliki negativni naboj na metalnoj elektrodi je uravnoteženšupljinama, koje su privučene uz prelaz silicijum-silicijum dioksid, direktno ispod vrata (tanki sloj-list naboja)
+
-
6
b) Osiromašena oblast
• Napon na vratima je lagano povećan i pozitivan (u odnosu na podlogu).
• Šupljine su„odbijene“ (odgurnute) od površine i njihova gustoća blizu površine je smanjena u odnosu na gustoću određenu nivoom dopiranja podloge („smanjenje“ ili „siromašenje“)
• Pozitivan naboj na vratima
je uravnotežen negativnim
nabojem joniziranih akceptorskih
atoma u osiromašenoj oblasti.
• Širina osiromašene oblasti wd :
od dijela mikrona do više
desetina mikrona u zavisnosti
od dovedenog napona i nivoa
dopiranja materijala.
• Oblast ispod metalne elektrode je osiromašena na potpuno isti način kao i osiromašena oblast pn spoja kristalne diode.
-
+
7
c) Inverzna oblast
• Napon na vratima se dalje povećava, elektroni bivaju privučeni prema površini.
• Pri nekom naponu VTN površina mijenja polaritet od izvornog p-tipa u n-tip: dobija se inverzna oblastispod vrata.
• Pozitivan naboj na
vratima je kompenziran
sa negativnim nabojem
u inverznom sloju i
nabojem negativnih jona
(akceptora) u osiromašenoj oblasti.
• Napon na vratima, pri kome se uspostavlja inverzni površinski sloj (značajan parametar) naziva se napon praga (threshold voltage - VTN).
-
+
8
Struktura n kanalnog MOS (NMOS) tranzistora
• Centralna oblast MOSFET-a je
MOS kondenzator, i upravljačka
elektroda MOS-a se naziva
vrata (gate - G). Sa obje
strane MOS kondenzatora,
nalaze se dvije visoko
dopirane oblasti n-tipa (n+),
nazvane izvor (source -S)
i odvod (drain - D), formirane
u p-tipu materijala, koji je
četvrta elektroda NMOSFET-a:
priključak podloge (priključak tijela).
Cijeli MOSFET je realiziran u podlozi (substrate) p tipa.
9
Način spajanja NMOSFET-a na izvore napona; struje MOSFET-a
• struja odvoda - iD,
• struja izvora - iS,
• struja vrata - iG,
• struja podloge - iB.
• napon vrata-izvor :vGS
• napon odvod-izvor: vDS (VS).
• Ovi naponi su uvijek veći ili jednaki nula.
• Oblasti izvora i odvoda sa materijalom podloge formiraju pn spojeve koji trebaju biti uvijek inverzno polarizirani.
• Područje poluvodiča između izvora i odvoda a direktno ispod vrata naziva se kanal (channal region) FET-a.
IG IS IB
10
Kvalitativno ponašanje NMOSFET tranzistora
VTN je napon poređenja kod NMOSFET-a.
a) Ako je napon VGS mnogo manji od VTN,, između izvora i
odvoda postoji np-pn spoj i samo vrlo mala struja može
poteći između dva priključka.
11
b) Ako je napon VGS blizu vrijednost VTN, ali ipak manji od
njega, ispod vrata (a između izvora i odvoda) stvara se
osiromašena oblast.• Osiromašena oblast ne sadrži dovoljan broj slobodnih
nosilaca naboja tako da struja ne može proći između izvora
i odvoda.
12
c) Ako je napon VGS >VTN, elektroni su privučeni uz površinu podloge, formirajući inverzni sloj (n tipa), u odnosu na podlogu, spajajući n+ područje izvora sa n+područjem odvoda. Ova veza između izvora i odvoda ima karakter otpora.
• Ako se sada između odvoda i izvora dovede pozitivan napon (VDS >0), pod dejstvom električnog polja, dolazi do kretanja elektrona kroz kanal i toka struje između odvoda i izvora.
13
• Struja u NMOS tranzistoru, uvijek ulazi u priključak
odvoda, teče kroz kanal i izlazi kroz priključak izvora.
• Priključak vrata je izoliran od ovog kanala, nema
istosmjerne struje kroz vrata i iG =0.
• Pošto su pn spojevi (izvor i odvod prema podlozi) uvijek
inverzno polarizirani, kroz njih teče samo inverzna struja,
koja je obično mala u odnosu na struju kanala iDS i
zanemaruje se. Zbog toga se usvaja da je iB =0.
IG IB
14
• Da bi došlo do provođenja struje, očito je
da kanal mora biti uspostavljen
(induciran) naponom vrata.
• Napon vrata „povećava“ („enhances“)
vodljivost kanala i za ovaj tip MOSFET-a se
kaže da je povećavajućeg tipa
(enhancement- mode device).
15
Izlazne karakteristike NMOSFET tranzistora:
Ovisnost izlazne struje (struja odvod- izvor) NMOSFET–a
za različite iznose napona odvod-izvor i napona vrata.
16
a) Linearna oblast izlaznih karakteristika (uDS mali)
• Struje iG i iB su jednake nuli tako da struja koja ulazi u odvod mora biti jednaka struji koja napušta izvor.
iS = iD = iDS
• Izraz za struju između odvoda i izvora će biti izveden razmatrajući protok naboja u kanalu.
• Ukupan naboj (koji čine elektroni) po jedinici dužine kanala(jedinični naboj) je :
• - kapacitet po jedinici površine (određen debljinom sloja oksida)
• εox -permeabilnost sloja oksida (za silicijum dioksid :
εox = 3,9 ◦ 8,854◦10-14F/cm)
• Tox -debljina sloja oksida (cm)
• W – širina kanala (cm).
( ) /ox ox TNQ x WC u V C cm
oxC
LWS
cmFTST
S
S
CC
ox
ox
ox
oxoxox
.
/ 2
17
• Napon uox predstavlja napon na sloju oksida i funkcija je
mjesta duž kanala:
• u(x) je napon u tački sa koordinatom x duž kanala, u
odnosu na izvor.
• Napon uox mora biti veći od napona VTN, da bi postojao
inverzni sloj (jer će Q´ biti nula ako to nije slučaj).
• Na mjestu na kanalu uz sami izvor je i on se
smanjuje na vrijednost na kraju kanala uz
odvod.
)(xuuu GSox
DSGSox uuu GSox uu
( )ox ox TNQ x WC u V
x0
x
u0x
iDST0x
W
18
• Struja elektrona (drift) na bilo kojem mjestu duž
kanala je data priozvodom naboja po jedinici
dužine i brzine elektrona ( vx):
• Brzina elektrona kroz kanal je određena
pokretljivošću (mobilnošću) elektrona i električnim
poljem u kanalu.
• Kombinirajući jednačinu (*) i jednačinu za uox
slijedi :
)()()( xvxQxi x
(*))(
)()(
dx
xduEuz
EVuCWxi
x
xnTNoxox
)())(()( xduVxuuCWdxxi TNGSoxn
)(xuuu GSox
19
• Pošto je poznat napon koji se dovodi na izvode (izvor i
odvod), to je ux(0)=0 i ux(L)=uDS .
• Struja kroz kanal mora biti jednaka struji iDS kroz svaki
poprečni presjek duž kanala, pa vrijedi da je i(x) = -iDS.
Zato jednačinu za struju treba integrirati u granicama dužine
kanala:
• Iznos je fiksan za datu tehnologiju i predstavlja
konstantu:
• tkz. parametri strmine:
(**))2
(
)())(()(
00
DSDS
TNGSoxn
DS
DSU
TNGSoxn
L
uu
VuL
WCi
xduVxuuCWdxxi
oxnC
L
WKKiCK nnoxnn
20
Jednačina (**) se može napisati:
i predstavlja klasični izraz za struju između odvoda i izvora
NMOS tranzistora, kada su odvod i izvor spojeni preko
otpora kanala.
• Ovaj spoj će postojati sve dok je napon na sloju oksida
veći od napona praga u svakoj tački duž kanala:
što je uočljivo iz jednačine:
DSDS
TNGSnDS
DSDS
TNGSnDS
uu
VuKi
uu
VuL
WKi
)2
(
(*))2
(
LxzaVxuu TNGS 0)(
DSU
TNGSoxn
L
xduVxuuCWdxxi
00
)())(()(
)(xuuu GSox
21
• Obzirom da je u(L)= uDS, uvjet za protok struje kroz MOSFET se može preformulirati kao:
I-u karakteristike u linearnoj oblasti mogu se nacrtati na osnovu jednačine (*):
• Za male vrijednosti napona uDS kada vrijedi :
uDS << (uGS –VTN).
izraz za struju odvoda se može napisati u reduciranom obliku kao:
gdje je iDS direktno proporcionalno naponu uDS.
DSTNGS uVu LxzaVxuu TNGS 0)(
(*))2
( DSDS
TNGSnDS uu
VuL
WKi
DSTNGSL
oxnDS uVu
CWi )(
22
• Familija krivih je linearna u blizini koordinatnog početka;
Definira se otpor MOSFET-a za to područje, nazvan „otpor
u vođenju“ (on-resistance - Ron), (tačka „ON“na dijagramu) i
koji predstavlja odnos uDS i iDS :
• Kada je MOSFET polariziran da radi u linearnoj oblasti, on se
koristi kao naponom (vGS) upravljani otpor.
)(
1
TNGSnDS
DSon
VuL
WK
i
uR
23
ZADATAK: Izračunati Ron za NMOSFET za: VTN=1 V,
VGS=2V i 5V ako je Kn=250A/V2
• Što je napon VGS veći, to je manja otpornost Ron .
KR
K
VuL
WK
i
uR
on
TNGSnDS
DSon
1)15(10250
1
4)12(10250
1
)(
1
62
61
24
b) Oblast zasićenja izlaznih karakteristika• Linearni režim rada MOSFET-a će trajati sve dok između
izvora i odvoda postoji vodljivi kanal.
• Kada je napon odvoda povećan na vrijednost :
uDS = (uGS –VTN) kanal se na mjestu odvoda prekida:
• Sa daljnim porastom iznosa uDS, kanal isčezava i prije mjesta na kome je formiran odvod (širi se osiromašena oblast u inverznoj polarizaciji odvoda)
• Kanal je „zgnječen“ (pinched off) i nije više u kontaktu sa odvodom i napon na njemu ne ovisi od napona uDS
0
0
( )
0
2
ox GS
oL GS DS
DS GS TN
oL GS GS TN TN
oL L TN
L TN TN TN
L GS TN
u u u x
u u u
za
u u V
u u u V V
u V V V
V V V V V
V V V
25
• Dio kanala između „tačke gnječenja“ i odvoda je bez
elektrona.
• U području ispod „praznog kanala“, nalazi se osiromašena
oblast, u kojoj egzistiraju negativni akceptorski joni.
• Elektroni, koji dostignu „tačku gnječenja“ ulaze u
osiromašenu oblast između završetka kanala i odvoda, i
pod dejstvom električnog polja u osiromašenoj oblasti,
kreću se prema odvodu.
26
• Kada je kanal ušao u stanje „gnječenja“, pad napona na
invertovanom kanalu (u kome postoje elektroni) ostaje
konstantan, jer kanal nije više u kontaktu sa odvodom.
• Zato je i struja odvoda konstantna i MOSFET radi u oblasti
zasićenja njegovih karakteristika (saturatin region;.
pinch-off region).
• Struja odvoda [uz uDS = (uGS –VTN)] je:
• Ovo je klasična kvadratna jednačina za struju između
odvoda i izvora u zasićenom n kanalnom MOSFET-u.
• Struja odvoda zavisi od kvadrata napona (uGS –VTN) , ali je
nezavisna od napona odvod-izvod.
)()(2
2TNGSDSTNGSnDS VuuzaVu
L
WKi
(*))2
( DSDS
TNGSnDS uu
VuL
WKi
27
• Vrijednost napona između odvoda i izvora za koju tranzistor
ulazi u zasićenje, zove se napon zasićenja ili „napon
gnječenja“ ( pinch-off voltage ) i označen je kao uDSAT, a
njegova vrijednost je:
uDSAT = (uGS –VTN)
• Kada se napon odvoda povećava u oblasti zasićenja, krive u
oblasti zasićenja postaju ravne linije.
28
c) Oblast kočenja izlaznih karakteristika
• Za vrijednosti napona (uGS ≤VTN) tranzistor je
zakočen (cut off), pošto kanal ne postoji a oba pn-
spoja su inverzno polarizirana (dva pn spoja
vezana u opoziciju); struja odvoda jednaka je nuli.
• Na dijagramu je oznakom OFF, naznačena tačka
kada je (uGS =VTN), tj. kada je tranzistor zakočen.
29
Modulacija dužine kanala
• U oblasti zasićenja i-u krive imaju mali pozitivan
rast.
• Struja odvoda se lagano povećava, kako se
povećava napon uDS, kao posljedica fenomena
nazvanog modulacija dužine kanala (channel-
lenght modulation).
30
• Kanal je prekinut u tački gnječenja prije nego što je dostigao odvod. Tako je stvarna dužina kanala data relacijom
L=Lmax-L .
• Za uDS >uDSAT, dužina osiromašene regije kanalatakođe postaje veća i stvarna dužina kanala se smanjuje.
• Vrijednost L u nazivniku jednačine
neznatno zavisi od napona uDS (smanjuje se sa povećanjem uDS), i struja odvoda se povećava, kako se povećava napon uDS .
2)(2
TNGSnDS VuL
WKi
31
• Jednačina (*) se može iskustveno modificirati,
tako da se uzme u obzir ova zavisnost od
napona odvoda (smatrajući da je L= const):
• Parametar je nazvan parametar modulacije
dužine kanala. Vrijednost zavisi od dužine L
kanala i njene tipične vrijednosti su u opsegu:
(0,001 V-1≤ ≤ 0,1 V-1)
• ZADATAK: Izračunati struju odvoda za NMOSFET, koji radi
sa VGS=5V, VDS=10V, ako je VTN =1 V, Kn=1mA/V2 i =0,02.
Oblast zasićenja:VDS> (VGS- VTN )
mAi
uVuL
WKi
DS
DSTNGSnDS
6,92,12
16)1002,01()15(
2
1
)1()(2
2
2
)1()(2
2DSTNGSnDS uVu
L
WKi