VIII PREDAVANJE TRANZISTORI SA EFEKTOM POLJA (FET)

1

VIII PREDAVANJE

TRANZISTORI SA EFEKTOM

POLJA (FET)

TRANZISTORI SA EFEKTOM POLJA

(FET)-unipolarni tranzistori

Dva osnovna tipa:

• MOSFET (Metal-oxid-semiconductor

field-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

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

Karakteristike MOS kondenzatora

• Središnji dio MOSFET-a je struktura MOS

kondenzatora, prikazana na slici:

• Tanki izolacioni sloj ispod vrata, koji je obično

silicium dioksid, razdvaja metalna vrata od

silicijumske podloge ili „tijela“ (body), koje

predstavlja drugu elektrodu kondenzatora.

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 uravnotežen

šupljinama, koje su privučene uz prelaz silicijum-silicijum

dioksid, direktno ispod vrata (tanki sloj-list naboja)

+

-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 w_d : od dijela mikrona do više

desetina mikrona u zavisnosti od dovedenog napona i nivoa

dopiranja materijala.

-+

7

c) Inverzna oblast

• Napon na vratima se dalje povećava, elektroni

bivaju privučeni prema površini.

• Pri nekom naponu V

površina mijenja polaritet od

izvornog p-tipa u n-tip: dobija se inverzna oblast

ispod 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 - V

).

-+

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).

9

Način spajanja NMOSFET-a na izvore napona;

struje MOSFET-a

• struja odvoda - i

,

• struja izvora - i

,

• struja vrata - i

,

• struja podloge - i

.

• napon vrata-izvor :v

• napon odvod-izvor: v

(V

).

• 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.

Kvalitativno ponašanje NMOSFET tranzistora

V_TN je napon poređenja kod NMOSFET-a.

a) Ako je napon V_GS mnogo manji od V_TN,, između izvora i

odvoda postoji np-pn spoj i samo vrlo mala struja može poteći između dva priključka.

11

b) Ako je napon V_GS blizu vrijednost V_TN, 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.

c) Ako je napon V_GS >V_TN, 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

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 i_G =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 i_DS i

zanemaruje se. Zbog toga se usvaja da je i_B =0.

I_{G I}

• 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

15

Izlazne karakteristike NMOSFET tranzistora:

Ovisnost izlazne struje (struja odvod- izvor) NMOSFET–a za različite iznose napona odvod-izvor i napona vrata.

a) Linearna oblast izlaznih karakteristika (u

• Struje i_G i i_B su jednake nuli tako da struja koja ulazi u odvod mora biti jednaka struji koja napušta izvor.

i_S = i_D = i_DS

• 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)

• ε_ox -permeabilnost sloja oksida (za silicijum dioksid : ε_ox = 3,9 ◦ 8,854◦10-14F/cm)

• T_ox -debljina sloja oksida (cm)

 

(

)



/



Q x



 

WC



u



V

C cm





17

• Napon u_ox 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 u_ox mora biti veći od napona V_TN, 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.

)

(x

u

u

u





 

• Struja elektrona (drift) na bilo kojem mjestu duž

kanala je data priozvodom naboja po jedinici

dužine i brzine elektrona ( v

):

• Brzina elektrona kroz kanal je određena

pokretljivošću (mobilnošću) elektrona i električnim

poljem u kanalu.

• Kombinirajući jednačinu (*) i jednačinu za u

slijedi :



 





(

(

)

)



(

)

)

(

x

dx

W

C

u

u

x

V

du

x

i













)

(x

u

u

u





19

• Pošto je poznat napon koji se dovodi na izvode (izvor i odvod), to je u_x(0)=0 i u_x(L)=u_DS .

• Struja kroz kanal mora biti jednaka struji i_DS kroz svaki poprečni presjek duž kanala, pa vrijedi da je i(x) = -i_DS.

Zato jednačinu za struju treba integrirati u granicama dužine kanala:

• Iznos je fiksan za datu tehnologiju i predstavlja konstantu: • tkz. parametri strmine:













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:

DS DS TN GS n DS DS DS TN GS n DS u u V u K i u u V u L W K i ) 2 ( (*) ) 2 (        L x za V x u u_GS  ( )  _TN 0   DS U L ) (x u u u_ox  _GS 

21

• Obzirom da je u(L)= u

, 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 u

kada vrijedi :



u

<< (u

–V

)



.

izraz za struju odvoda se može napisati u

reduciranom obliku kao:

gdje je i

direktno proporcionalno naponu u

DS TN GS V u u   L x za V x u u_GS  ( )  _TN 0   (*) ) 2 ( _{GS TN} DS _DS n DS u u V u L W K i     DS TN GS L ox n DS u V u C W i    (  )

• Familija krivih je linearna u blizini koordinatnog početka; Definira se otpor MOSFET-a za to područje, nazvan „otpor

u vođenju“ (on-resistance - R_on), (tačka „ON“na dijagramu) i

koji predstavlja odnos u_DS i i_DS :

) ( 1 TN GS n DS DS on V u L W K i u R    

23

ZADATAK: Izračunati R_on za NMOSFET za: V_TN=1 V, V_GS=2V i 5V ako je Kn=250A/V2

• Što je napon V

veći, to je manja otpornost R

.

                K R K V u L W K i u R on TN GS n DS DS on 1 ) 1 5 ( 10 250 1 4 ) 1 2 ( 10 250 1 ) ( 1 6 2 6 1

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 :

u_DS = (u_GS –V_TN) kanal se na mjestu odvoda prekida:

• Sa daljnim porastom iznosa u_DS, 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

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 G S 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,

• 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 u_DS = (u_GS –V_TN)] je:

• Ovo je klasična kvadratna jednačina za struju između odvoda i izvora u zasićenom n kanalnom MOSFET-u. • Struja odvoda zavisi od kvadrata napona (u –V

) ( ) ( 2 2 TN GS DS TN GS n DS u V za u u V L W K i      (*) ) 2 ( _{GS TN} DS _DS n DS u u V u L W K i    

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 u_DSAT, a njegova vrijednost je:

u_DSAT = (u_GS –V_TN)

• Kada se napon odvoda povećava u oblasti zasićenja, krive u

c) Oblast kočenja izlaznih karakteristika

• Za vrijednosti napona (u

≤V

) tranzistor je

zakočen (cut off), pošto kanal ne postoji a oba

pn-spoja su inverzno polarizirana (dva pn pn-spoja

vezana u opoziciju); struja odvoda jednaka je nuli.

• Na dijagramu je oznakom OFF, naznačena tačka

29

Modulacija dužine kanala

• U oblasti zasićenja i-u krive imaju mali pozitivan

rast.

• Struja odvoda se lagano povećava, kako se

povećava napon u

, kao posljedica fenomena

nazvanog

modulacija dužine kanala

• Kanal je prekinut u tački gnječenja prije nego što

je dostigao odvod. Tako je stvarna

dužina kanala

data relacijom

L=L

-



L .

• Za u

>u

, dužina osiromašene regije kanala

takođe postaje veća i stvarna dužina kanala se

smanjuje.

• Vrijednost L u nazivniku jednačine

neznatno zavisi od napona u

(smanjuje se sa

2 ) ( 2 GS TN n DS u V L W K i   

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

≤



≤ 0,1 V

₎

• ZADATAK: Izračunati struju odvoda za NMOSFET, koji radi sa V_GS=5V, V_DS=10V, ako je V_TN =1 V, Kn=1mA/V2 _i _=0,02. Oblast zasićenja:V_DS> (V_GS- V_TN ) mA i u V u L W K i DS DS TN GS n DS 6 , 9 2 , 1 2 16 ) 10 02 , 0 1 ( ) 1 5 ( 2 1 ) 1 ( ) ( 2 2 2            ) 1 ( ) ( 2 2 DS TN GS n DS u V u L W K i     