tranzistorul mos_slides.pdf
Post on 04-Mar-2016
19 Views
Preview:
TRANSCRIPT
-
Tranzistorul MOS
Aa cum am menionat, schemele digitale bazate pe tranzistoare bipolare au marea
limitare c nu pot fi integrate foarte mult (n special datorit puterii mari disipate n regim
staionar). Tranzistorul MOS a fost inventat ulterior, tocmai pentru a rezolva aceast
problem, el permind reducerea continu a dimensiunilor i creterea nivelului de
integrare.
Tranzistorul nMOS
Structura i principiul de funcionare
Pe un substrat de tip P, sunt create dou regiuni de tip n (Sursa S i Drena D). Intre ele,
pe suprafaa siliciului, se depun succesiv un strat de material izolator (tradiional SiO2) i
unul de material conductor (de ex. metal). Metalul formeaz poarta G (de la gate).
Terminalele G i S, D pot fi conectate n exterior, pentru a forma circuitul de intrare i
respectiv de ieire.
- 2 diode parazite - substratul (B, de la bulk) la mas.
- ansamblul metal oxid semiconductor (de unde numele de MOS) - un condensator.
, mica,
Daca aplicm o tensiune pozitiv ntre poart i mas, i considerm c sursa va fi
mereu legat la mas, tensiunea poate fi notat .
- V mica - cmp electrostatic relativ mic,
- respinge golurile din substratul de tip p.
- zon de srcire (de sarcin spaial), care se unete cu cea a jonciunilor pn.
- condensatorul format de poart i silciu se ncarc sarcina acumulat pe placa
metalic fiind compensat de cea a ionilor negativi din regiunea de sarcin spaial
Daca se aplica vDS > 0, nu apare curent ntre dren i surs. Tranzistorul este blocat.
-
Sarcina de ioni din regiunea de sarcin spaial crete proporional cu .
- vGS crete - decalaj fa de sarcina ionilor.
sunt atrai/ smuli electroni liberi (inclusiv din regiunile n ale drenei i sursei) care se
acumuleaz sub materialul izolator, a.. suma dintre sarcina ionilor i a acestor electroni
s fie proportional cu tensiunea aplicat (i egal cu sarcina acumulat pe metal).
ncepe s apar o zon de sarcin liber de tip n, ntr-un semiconductor de tip p. Acest
fenomen se numete inversiune i este la inceput slab.
Daca se aplica vDS > 0, nu apare curent semnificativ ntre dren i surs (nu exist
suficieni purttori mobili). Tranzistorul este blocat.
Sarcina de tip n (electroni liberi) devine egal cu a sarcinii spaiale i apoi o depete,
pentru vGS > Vp (valoare de prag). Se formeaz un canal de conducie ntre S i D.
Canalul are un potenial uniform, nul (sursa i dren sunt legate la mas). Tranzistorul
se deschide i poate conduce.
-
Dac se aplic VDS > 0, apare un curent (semnificativ) n circuitul dren surs
Tranzistorul conduce.
Se observ c acest current este cu att mai mare cu ct tensiunea pe poart e mai
mare (mai muli electroni n canal) i respectiv tensiunea pe dren este mai mare (dar
rmne sub o anumit valoare, aa cum se va vedea). Curentul poate fi deci contralat
din circuitul porii efect de tranzistor.
-tranzistor cu efect de cmp (TEC, respectiv FET) - cmpul electrostatic al porii. Uneori
se folosete i denumirea de TECMOS, respectiv MOSFET.
- nicio diferen constructiv ntre surs i dren. Surs, - zona conectat la mas.
Spre deosebire de TBIP, curentul este exclusiv unul de conducie, iar purttorii
sunt exclusiv electronii (se mai numete tranzistor unipolar). Astfel, tranzistorul
se comport efectiv ca o rezisten (a canalului), rezisten controlat de
tensiunea de poart.
-
Cderea de tensiune pe aceast rezisten este chiar tensiunea vDS. La contactul cu
drena, potenialul canalului este VD, iar la cel cu sursa, VS=0. Aceasta nseamn c
sarcina acumuat n canal este distribuit neuniform, fiind mai mare la contactul cu
sursa i mai mic la cel cu drena.
Calculul curentului IDS Regimuri de funcionare
Pentru nceput se va deduce densitatea sarcinii acumulate n canal, raportat la
unitatea de arie. Se noteaz cu Z limea canalului (coincide cu aceea a tranzistorului)
i cu L distana dintre surs i dren (lungimea maxim a canalului). Se folosete de
aceea capacitatea, pe unitate de arie, a condensatorului.
[
] [
]
unde aria condensatorului format de metal, izolator i canal este
Sursa i drena conectate prin canal, tranzistorul poate
conduce
Densitatea sarcinii pe unitatea de arie este, ca la orice condesator, proporional cu
capacitatea acestuia pe unitatea de arie i cu tensiunea pe condensator. Aceast
dependen liniar ncepe din momentul n care se formeaz canalul, respectiv cnd
sarcina electronilor liberi este mult mai mare dect a ionilor, deci pentru VGS > Vp.
Pentru tensiuni mai mici ca aceea de prag, sarcina este acumulat majoritar n ionii
imobili i este dat de alt lege. De aceea, proporionalitatea va fi cu VGS - Vp:
-
( )
Deoarece potenialul este constant de-a lungul canalului (i nul), densitatea de sarcin
acumulat este de asemenea constant de-a lungul acestuia.
Conducie, canal continuu
, cderea de tensiune pe rezistena canalului este chiar tensiunea VDS.
-drena VD, iar la sursa, VS=0. Densitatea sarcinii acumuate n canal este neuniform,
Notnd cu y axa de-a lungul canalului, putem scrie
( )
Sistemul complet de coordonate folosit (x,y,z) :
Sarcina pe unitatea de volum,
- n = numrul de purttori pe unitatea de volum [
].
V canal = , =
-
i deci
Seciune prin canal, n x z, - poriunea de canal de arie i lungime dy are
rezistena (constant) de valoare dR. Prin ea - iDS (constant), i cderea de tensiune
dv(y).
cu
Rezult
( )
sau
( )
(( )
)
- Curentul crete cu o pant din ce n ce mai mic (deoarece rezistena canalului este,
din ce n ce mai mare).
-
ntruct tranzistorul este echivalent, n circuitul dren-surs cu un rezistor comandat de
i , aceast regiune de funcionare se numete ohmic (sau liniar).
Conducie prin canal ntrerupt n dreptul
drenei
Dac - grosimea canalului n dreptul drenei se anuleaz.
-conducia este posibil prin poriunea de zon lipsit de sarcin spaial de sub canal,
la contactul cu drena. Curentul = constant, la valoarea care se obine nlocuind
n relaia curentului
( )
[ ] = 1 V
= 0.9 V
= 0.8 V
= 0.7 V
= 0.6 V
= 0.5 V
[ ]
-
Conducie prin canal ntrerupt nainte de
dren
- grosimea canalului devine zero nainte de dren. Canalul devine ntrerupt
- lungimea mult mai mic dect L.
n punctul de ntrerupere - cderea de tensiune pe canal ramne
constant, indiferent de VDS. Pe poriunea lipsit de purttori mobili cderea de tensiune
este ( ), deci crete oadt cu VDS .
Canalul propriu-zis scurtndu-se, teoretic scade i rezistena sa. Practic ns, lungimea
sa nu scade mult fa de L. De aceea, valoarea total a rezistenei rmne practic
constant. Deoarece i cderea de tensiune pe canal este constant, rezult c i
curentul va rmne constant, la valoarea corespunztoare lui .
( )
-
Aadar curentul se satureaz (nu mai crete cu tensiunea). De aceea, aceast regiune
se numete regiune de saturaie (a curentului).
Aadar, n regiunea de saturaie, la tensiuni , tranzistorul se comport ca
un generator de curent (comandat de ), generator care, conform acestui model este
ideal.
n realitate, apare o uoar cretere a curentului odat cu creterea tensiunii ,
datorit creterii limii zonei de sarcin spaial n apropierea drenei. Ea este similar
(inclusiv ca reprezentare) cu efectul Early de la tranzistorul bipolar.
[ ]
[ ]
= 1 V
= 0.9 V
= 0.8 V
= 0.7 V
= 0.6 V
= 0.5 V
= 0.4 V
-
Tranzistorul pMOS
Structura i principiul de funcionare
- tensiunea aplicat pe poart trebuie s fie mai mic dect cea a substratului, respectiv
tensiunea ntre poart i substrat s fie negativ .
= 0.5 V
= 0.4 V
[ ]
[ ] = 1 V
= 0.9 V
= 0.8 V
= 0.7 V
= 0.6 V
-
La tranzistorul pMOS sursa se conecteaz la tensiunea de alimentare , la fel ca
substratul i n consecin .
Similar cu tranzitorul nMOS, tranzistorul pMOS conduce dac , unde Vp
reprezint tensiunea de prag, considerat pozitiv.
Pentru simplificare, se prefer s se lucreze cu i atunci i condiia de
deschidere a tranzistorului se scrie . .
Absolut similar
(( )
)
i respectiv n cea de saturaie (pentru )
( )
-
n ecuaiile de mai sus apare evident mobilitatea golurilor .
Se observ similtudinea foarte mare cu ecuaiile tranzistorului nMOS. De fapt, se
obinuiete s se noteze curentul prin tranzistor , att pentru tranzistorul nMOS ct i
pentru pMOS, subnelegndu-se firete c sensul este de la dren spre surs la nMOS
i de la surs la dren la pMOS (dar n ambele cazuri de la + la -).
Putem atunci sumariza principalele ecuaii ale celor dou tipuri de tranzistoare, astfel
nMOS pMOS
Notaie curent
Sens curent Dren surs (+ -) Surs dren (+ -) Semn tensiuni
Condiie de deschidere
Ecuaie n regiunea ohmic
(( )
)
(( )
)
Ecuaie n regiunea de saturaie
( )
( )
Condiia de sauraie
Dimensionarea tranzistoarelor MOS
- curent mai mare = variaie Z i L. n general L fixat i creterea se face mrind Z, =
tranzistoare mai late.
Un alt lucru important este faptul c, dup cum se tie, mobilitatea golurilor este mai
mic dect a electronilor (de circa 2-3 ori). Aceasta nseamn c, n condiii identice,
curentul printr-un tranzistor pMOS este mai mic dect printr-unul nMOS identic ca
dimensiuni. n consecin, daca dorim s avem (aproximativ) acelai curent, tranzistorul
pMOS trebuie proiectat mai lat uzual de 2 ori.
-
Tehnologii CMOS
n principiu, adugarea tranzistoarelor de tip p se face prin implantarea unei insule (well
n englez) pe substratul de tip n. Pe acest insul se realizeaz apoi sursa, drena i
poarta tranzistorului p.
- terminale speciale pentru conectarea la tensiunea potrivit (GND i repectiv VDD),
pentru ca diodele parazite s nu se deschid.
- zon dopat cu aceleai impuriti ca substratul/ insula, dar mai puternic contact
ohmic (i nu o diod Shotky).- zone izolatoare STI (shallow trench insulation), de fapt
SiO2 aplicat in interiorul siliciului.
[ ]
[ ]
= 1 V
= 0.9 V
= 0.8 V
= 0.7 V
= 0.6 V
= 0.5 V
= 0.4 V
-
Tensiunea de prag (threshold voltage) depinde de mai muli parametri, inclusiv de
concentraia de dopaj a zonei p (NA) crete cu aceasta i de Cox invers
proporional dar i de temperatur. Din aceast ultim cauz ea nu este specificat
foarte exact. Practic ea scade odat cu evoluia tehnologiei, fiind (foarte aproximativ) n
zona de 30-40% din tensiunea nominal pentru respectiva tehnologie. Astfel, pentru
exemplul uor de comparat de VDDn=5V, putem considera Vp=1.5 V, iar pentru VDDn=1
V, putem aproxima Vp=0.4V i respectiv pentru VDDn=0.6 V, Vp=0.2 V.
top related