1

MOS Field-EffectTransistors (MOSFETs)

©2012 Mervin T Hutabarat

2

Struktur dan Cara Kerja Devais MOSFET

3

Struktur Fisik

Tampak perspektif Potongan melintang

Nilai Tipikal Teknologi SaatL 0,03-1um, W 0,1-100um, tox 1-10nm

4

Tegangan Gate Nol

Tegangan gate nol drain-source membentuk dioda back-to-back

Arus drain-source sangat kecil (nol)

5

Pembentukan Kanal

Saat gate mendapat tegangan positif, elektron terkumpul di bawah elektroda gate

Bila tegangan melampaui Vt terbentuk kanal dari drain ke source akibat inversi pembawa muatan

Devais dengan kanal terbentuk n disebut MOSFET kanal n

Tegangan efektif atau overdrive gate

Muatan dalam kanal

tGSOV Vvv

OVox vWLCQ ox

oxox tC

6

MOSFET dengan vDS kecil

Arus kecil mengalir dari drain ke source (elektron dari source ke drain) akibat drift

Muatan per satuan panjang kanal

Medan listik sepanjang kanal

Laju drift elektron Arus drain

OVoxWvCQ

kanal panjangsatuan

L

vE DS

L

vE DS

nn elektrondrift laju DStGSoxnDSOVoxnD vVvL

WCvv

L

WCi

7

MOSFET dengan vDS kecil

Arus drain

Transkonduktansi gDS

Penentu arusParameter transkondutansi proses dan Aspect Ratio

Parameter transkonduktansi MOSFET

Plot arus tegangan

Perilaku mendekati sifat linier resitansi

DStGSoxnD vVvL

WCi

tGSoxnOVoxnDS VvL

WCv

L

WCg

oxnn Ck '

L

W

L

WC

L

Wkk oxnnn '

tGSoxnOVoxnDS

DS

VvLW

CvLW

Cgr

111

8

Saat vDS diperbesar

Tegangan pada ujung kanal source

Tegangan pada ujung kanal drain

Kedalaman kanal tidak sama pada source dan drain dankanal yang terbentuk ‘tapered’. Source lebih dalam karena overdrive voltage lebih besar

OVtGS VVv

DSOVtDSGSGD vVVvvv

9

Perubahan Kanal oleh VDS

10

Kurva iD vs vDS untuk VGS > Vt

11

Operasi VDS besar (>=VOV)

12

Struktur Devais PMOS

Tanpa tegangan Dengan tegangan VSB

13

Penampang CMOS

14

Lay Out CMOSPotonganmelintang

Layout

©2012 Mervin T Hutabarat

15

Penurunan Persamaan Arus - Tegangan

16

ox

oxox tC

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith

Figure 4.8 Derivation of the iD–vDS characteristic of the NMOS transistor.

Kapasitansi gate-channel

(dielektrik SiO2) per

satuan area (1)

Equipotential pada arah y (melebar)

Muatan tersimpan dalamKapasitor (3)

VCQ

(2)

Muatan tersimpan dalam“potongan” equipotensial(4)

tGSox VxvvdxWCdq )(

17

tGSox VxvvdxWCdq )(

Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith

Figure 4.8 Derivation of the iD–vDS characteristic of the NMOS transistor.

tGSox VxvvWCdx

dq )(

Muatan pada celah potongan sehingga

Medan listrik pada “potongan”

dx

xdvxE

Laju elektron (drift)Karena medan listrik

dx

xdvxE

dt

dxnn

Arus drift pada celah “potongan”

dt

dx

dx

dq

dt

dqi

dx

xdvVxvvWCi tGSoxn )(

18Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith

dx

xdvVxvvWCii tGSoxnD )(

Arus drain yang disebabkan arus drift pada celah “potongan”

xdvVxvvWCdxi tGSoxnD )(

dapat disusun menjadi

Integrasi dengan batas sourcedan drain atau x antar 0 dan L

dan tegangan 0 dan vDS

DSv

tGSoxn

L

D xdvVxvvWCdxi00

)(

memberikan

2

2

1DSDStGSoxnD vvVv

L

WCi

Untuk saturasi tGSDsat Vvv arus drain menjadi 2

2

1tGSoxnD Vv

L

WCi

19Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith

2

2

1tGSoxnD Vv

L

WCi

2

2

1DSDStGSoxnD vvVv

L

WCi definisi konstanta

oxnn Ck '

2'

2

1DSDStGSnD vvVv

L

Wki

2'

2

1tGSnD Vv

L

Wki