1EE 044125

התקני מוליכים למחצה12פרק

MOSטרנזיסטור

פרופ' אבינעם קולודני

2EE 044125

: הרעיוןMOSטרנזיסטור

P

N N

Source Drain

VDVS

+Vg

MOSFET או FETנקרא גם

(Field Effect Transistor)

:למדנו קודם קבלMOS

:נלמד עכשיו קבלMOS

משולב עם שתי דיודות.

זהו טרנזיסטור!

3EE 044125

תזכורת: צומת בממתח הפוך כמבודד

N N

0V

+V1+V2

P-type

4EE 044125

מבנה תלת ממדי וסמל סכמטיDrain

VD

SourceVS

P

N N

W

L

VgG

D

B

S

5EE 044125

מבט מלמעלה וחתך בטרנזיסטור MOS

W

L

N N

Source Drain

VDVS

Gate

L

6EE 044125

Field-effect transistor patent(Lilienfeld 1928)

7EE 044125

MOSלב הטרנזיסטור הוא קבל

Gate Voltage Vg

Gat

e C

har

ge

Qg

Total

-Qinv

-Qdep

VT

- - - - - - -- - - - ----- -

MetalOxide

P-type Semiconductor

Vg

8EE 044125

MOSחישוב הזרם בטרנזיסטור

P

N N

Source Drain

VDVS

+Vg

9EE 044125

קיבלנו קשר לינארי G

S D

B

IDS

VDS

Trans-Resistor = Transistor

10EE 044125

חישוב קצת יותר מדויק של הזרם

11EE 044125

חישוב ע"י אינטגרציה )אותה תוצאה(

12EE 044125

אפייני זרם-מתח של טרנזיסטור

G

S

D

BVGS

13EE 044125

תופעת הרוויה בזרם הטרנזיסטור

14EE 044125

השתנות עובי שכבת המיחסור

15EE 044125

(pinch-off )"תופעת הצביטה"

Linear region

Strong Saturation

Onset of saturation

16EE 044125

תחום אומי )"לינארי"(

Schematic view of an n-channel under bias below pinch-off.

17EE 044125

תחום רוויה

n+n+

S

G

VGS

D

VDS > VGS - VT

VGS - VT+-

18EE 044125

סדרת ציורים של פתרון פוטנציאל דו-ממדי

:המקור S. Dimitrijev, “Interactive MATLAB Animations forUnderstanding Semiconductor

Devices”

:ההתקן

גובה פס ההולכה מוצג ע"י עצמת צבע אדום, וגם כמשטח מעל מישורx-y

0 Volts VgVd

x

y

19EE 044125

Vg=0

Vd=0.4

20EE 044125

Vg=VFB

Vd=0.4

21EE 044125

Vg=1

Vd=0.4

22EE 044125

Vg=2

Vd=0.4

23EE 044125

Vg=3

Vd=0.4

24EE 044125

Vg=4

Vd=0.4

25EE 044125

Vg=5

Vd=0.4

26EE 044125

Vg=0

Vd=2.0

27EE 044125

Vg=VFB

Vd=2.0

28EE 044125

Vg=1

Vd=2.0

29EE 044125

Vg=2

Vd=2.0

30EE 044125

Vg=3

Vd=2.0

31EE 044125

Vg=4

Vd=2.0

32EE 044125

Vg=5

Vd=2.0

33EE 044125

Vg=3

Vd=5

34EE 044125

מהלך פסי אנרגיה ליד פני השטח

35EE 044125

:תחומי הפעולה של הטרנזיסטור קטעון, אוהמי )לינארי(, רוויה

G

S

D

B

VGS

0 0.5 1 1.5 2 2.50

1

2

3

4

5

6x 10

-4

VDS

(V)

I D (

A)

VGS= 2.5 V

VGS= 2.0 V

VGS= 1.5 V

VGS= 1.0 V

Resistive Saturation

VDS = VGS - VT

36EE 044125

MOSFET Analogy: Cutoff region (Vg<VT)

“source” “drain”

No water flow because of the barrier

“gate”

37EE 044125

MOSFET Analogy: Linear region Strong inversion everywhere (Vg>>VT)

Higher Vg means lower barrier; Water flows down to the drain

“source” “drain”

“gate”

38EE 044125

MOSFET Analogy: Still in Linear region Vd is a little higher, but still strong inversion everywhere

“source”“drain”

This means deeper drain;Stronger water flow

“gate”

Previous Vd level

39EE 044125

MOSFET Analogy: saturation region (Vd=vg-VT)

Weak inversion near the drain

“source”

“drain”

Even deeper drain: more current;This is the edge of saturation

“gate”“gate”

40EE 044125

MOSFET Analogy: deeper saturation (Vd>vg-VT)

“source”

“drain”

“Waterfall” formed;Water current flow cannot grow further;It is saturated and independent of Vd

“gate”“gate”

41EE 044125

MOSסיכום מודל הזרם בטרנזיסטור

42EE 044125

P

N N

Source DrainVD

VS

Vg

N-MOS

Channel=N

N

P P

Source DrainVD

VS

Vg

P-MOS

Channel=P

G

S D

B

G

S D

B

Source of Electrons

Source of Holes

43EE 044125

PMOS בהשוואה ל- NMOSאפייני

(a) n-channel. VD, VG, VT, and ID are positive;

(b) p-channel. All quantities negative.

44EE 044125

MOS transistors Types and Symbols

D

S

G

D

S

G

G

S

D

NMOS Enhancement NMOS

PMOS

Depletion(VT<0)

Enhancement

S

G

D

B

S

G

D

B

45EE 044125

Cross-Section of CMOS Technology

46EE 044125

מודל לאות קטן

47EE 044125

Transfer characteristics (Linear region)

48EE 044125

Transfer characteristics (Saturation region)

49EE 044125

body effectאפקט המצע

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 00.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

VBS

(V)

VT

(V)

W

yLeff

x

2 F +

VSB

2 F +V

SB +V

DS

N+ N+

VSB

VGSVDS

S

D

B

G

ID

P substrate

50EE 044125

אפקטים בהתקנים קטנים(short channel effects)

-4

VDS (V)0 0.5 1 1.5 2 2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5x 10

I D (

A)

VGS= 2.5 V

VGS= 2.0 V

VGS= 1.5 V

VGS= 1.0 V

0 0.5 1 1.5 2 2.50

1

2

3

4

5

6x 10

-4

VDS (V)

I D (

A)

VGS= 2.5 V

VGS= 2.0 V

VGS= 1.5 V

VGS= 1.0 V

ResistiveSaturation

VDS = VGS - VT

Long Channel Short Channel

51EE 044125

"אפקט התקצרות התעלה"

52EE 044125

Threshold Variations

VT

L

Long-channel threshold Low VDS threshold

Threshold as a function of the length (for low VDS)

Drain-induced barrier lowering (for low L)

Vds

53EE 044125

Velocity Saturation

EV/m)Esat

n (c

m/s

ec)

sat = 107

Constant mobility (slope = )

constant velocity

EtV/m)

n (c

m2 /V

s)

n0

(b) Mobility degradation(a) Velocity saturation

0

700

250

54EE 044125

Sub-Threshold Conduction

0.0 1.0 2.0 3.0VGS (V)

10 12

10 10

10 8

10 6

10 4

10 2

ln(I

D)

(A)

Subthreshold exponential region

Linear region

VT

55EE 044125

MOSFET – Equivalent Circuit

56EE 044125

קיבול השער של הטרנזיסטור

57EE 044125

Source/Drain junction Capacitances

58EE 044125

Parasitic Resistances

W

LD

Drain

Draincontact

Polysilicon gate

DS

G

RS RD

VGS,eff

59EE 044125

סיכום

60EE 044125