Föreläsning+7– Fälteﬀekransistor IV · 160413 ! Föreläsning!7,!Komponen8ysik!2016! 21 U GS! m 2) Spänning!(V)! Ptyphalvledare Isolator+–SiO 2 C total = C ox C halvl (C

Föreläsning 7– Fälteffek1ransistor IV

16-‐04-‐13 1 Föreläsning 7, Komponen8ysik 2016

• PMOS

• Småsignal

•  FET AC, ft •  MOS-‐Kondensator

•  CCD/CMOS-‐kamera

• Flash-‐minne

N-‐typ semiconductor

PMOS


P++ P++

Source Drain

Gate UGS = -‐ 0.2V UGS = -‐ 0.4V UGS = -‐ 1.0V

Isolator – SiO2

AQrahera hål vid ytan: slås på då UGS är negaCv! Korrekt operaUon: UDS < 0V, hål från source Ull drain

UGS

UDS = -‐ 1V

IDS = -‐ 1 m

A

PMOS -‐ Banddiagram


EFsub

EV

EC

Ei EFgate

ζ

0 Uth

-‐q⋅U

GS

+ —

-‐q⋅U

th

-‐q⋅U

GS

'0 22

2ox

FDrFTH C

eNU

Φ−Φ−=

εε⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=Φ

i

DtF n

NU ln

|UGS|:

PMOS – Ström-‐Spänning


-‐q⋅U

GS

IDS

UDS

Mä1nad Linjärt

“pinch-‐off”

n-‐MOSFET

IDS

UDS Mä1nad

Linjärt “pinch-‐off”

p-‐MOSFET

( )

( )⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −−=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−−=

2

2

2'

,

2'

THGSpoxsatDS

DSDSTHGS

poxDS

UULZC

I

UUUULZC

I

µ

µUGS −UTH <UDS

UGS −UTH ≥UDS

Linjära området

MäQnadsområdet

nMOS och pMOS


-‐q⋅U

GS

IDS

UDS

Mä1nad Linjärt

“pinch-‐off”

n-‐MOSFET

IDS

UDS Mä1nad


p-‐MOSFET

IDS

UGS > 0

UGS ökar UGS minskar Dvs blir mer negaUv

+2.0 V nMOS: UDS posiUv IDS posiUv

Strömmen flyter från drain Ull source pMOS: UDS negaUv

IDS negaUv ISD posiUv

Strömmen flyter från source Ull drain

-‐2.0 V

UGS < 0

IDS < 0

ISD > 0

nMOS och pMOS


-‐q⋅U

GS

IDS

UDS

Mä1nad Linjärt

“pinch-‐off”

n-‐MOSFET

IDS

UDS Mä1nad


p-‐MOSFET

IDS

UGS > 0

UGS ökar UGS minskar Dvs blir mer negaUv

+2.0 V nMOS: UDS posiUv IDS posiUv

Strömmen flyter från drain Ull source pMOS: UDS negaUv

IDS negaUv Strömmen flyter från source Ull drain

+2.0 V

UGS < 0

IDS < 0

2 minuters övning -‐ CMOS


Udd=1V

Uin=1V Uout=?

nMOS: Uth=0.5V pMOS: Uth=-‐0.5V Hur stor är Id? Vilket värde har Uout?

Id

+

-‐

+

-‐

Ström -‐ nMOS


( )

( )⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−=

2

2

2'

,

2'

THGSnoxsatDS

DSDSTHGS

noxDS

UULZCI

UUUULZCI

µ

µDSTHGS UUU >−

DSTHGS UUU ≤−

Linjära området

MäQnadsområdet

IDS

UDS

Mättnad

Linjära “pinch-off”

U DS =

UG

S - U

th

IDS

UGS

UTH

UGS > UDS+UTH

Småsignalmodell -‐ DC


( ) ( )gs

UUGS

GSDSDSds

UUDS

GSDSDSGSDSDS

gsGSdsDSDS

uU

UUIuU

UUIUUI

uUuUI

GSDS ==∂

∂+

∂

∂+≈

≈++

,,),(

),( Taylorutveckling:

GS

DS

UDS

DSo

UGS

DSm

dUdIg

dUdIg

=

=

dsDSDS

gsGSGS

dsDSDS

iIiuUuuUu

+=

+=

+=

DC bias

Småsignal

Utgångskonduktans:

Transkonduktans:

0=

⋅+⋅=

g

dsogsmds

iugugi

Småsignalströmar: gate drain

Source

ig ids +

-‐ ugs uds gm·∙ugs ro

Småsignalmodell -‐ DC


( )

( ) ( )DSTHGS

satDS

DSDSTHGSDS

UUUkI

UUUUkI

λ+⋅⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−=

12

2

2

,

2

( )⎩⎨⎧

⋅⋅=−≈

DSthGS

DSm IkUUk

kUg

2

LZCk nox µ'

=

( )

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧−−

==

DS

DSthGS

oo

I

UUUkg

r

λ1

11

gate drain

Source

ig ids +

-‐ ugs gm·∙ugs ro

Linjära området

MäQnadsområdet

Transkonduktans


gm = k UGS −Uth( ) = 2 ⋅ k ⋅ IDS

gm = Z ⋅εoxt ox

⋅µn ⋅1L⋅ε0 UGS −Uth( )

LZCk nox µ'

=

Hög transkonduktans: •  Tunnare oxid •  Kortare gate-‐längd

+ mindre transistor •  Större Z

– tar större plats

•  Högre µn •  Högre εox

ox

oxox tC 0' εε

=

Så tunna oxider som möjligt Så korta gate:ar som möjligt

Låg bredd – liten yta!

SiO2: 3.9 HfSiOx: 20

Stressors, III-‐V (?)

Transistorskalning – L ~ 22 nm <<< 1 µm!


µn εr

Gate-‐Längd

??

Småsignalmodell AC – kapacitanser i mä1nadsmod


P-‐typ halvledare

Isolator – SiO2

N++ N++

GGG UCQ δδ =

δUGS

GDGS

GDGSG

CCCCC

>>

+=

CGS CGD

''

32

oxoxGS CLZCAC ⋅⋅≈⋅=

Småsignalmodell i mä1nadsområdet : AC


gmUGS r0

S S

D G

gmUGS r0

S S

D G

Småsingal -‐ DC Småsingal -‐ AC

CGD

CGS

gmUGS r0

S S

D G

CGS

AC -‐ Förenklad

DSo Ir

λ1

=

DSm Ikg ⋅⋅= 2

LZCk nox µ'

=

'

32

oxGS CLZC ⋅⋅=

Frekvensegenskaper – lång gate


0

21

=

=

dsVg

ds

iih

gmUGS rds

S S

D G

CGS

CjZC ω

1=

• Högsta frekvens (f=ft) där transistorn har strömförstärkning: |h21|=1

• Nodanalys med Kirchoff’s strömlag

( )222 LUU

Cgf THGSn

gs

mt π

µπ

−== L > 1 µm

Transistorer på nanoskala -‐ dri^hasCghet


€

υd ∝ε

€

υd = υs

Elektriskt fält E ≈ Uds/L

ElektronhasUghet vd

L = 32 nm

( )thGSsoxsNDS UUvCvQI −⋅⋅=≈ ''

Nano-‐FET: UDS/L > Ec – elektronerna rör sig med mäQnadshasUghet!

MäQnadområdet:

gm ökar inte med L!

Transistorer på nanoskala – transkonduktans & ft


L = 32 nm

Lvf

vZCg

sT

soxm

π2

'

=

=

( )

soxm

thGSsoxDS

vCgUUvCI

⋅≈

−⋅⋅≈'

'

gmUGS rds

S S

D G

CGS

vs = 1.0×105 m/s

Kortare gate-‐längd: Högre ft!

Transistorer på nanoskala – transkonduktans & ft


( )222 LUU

Cgf THGSn

gs

mt π

µπ

−=≈ L

vf sT π2≈

Exempel. Beräkna ft för en Si-‐transistor med Lg=1µm, och Lg=90 nm. µn = 0.135 m/Vs vs=105m/s

Lång (µm) gate Kort (nm) gate

MOS-‐kondensator (MOSCAP)


UGS

Kapacitans (F m

-‐2)

Spänning (V)

P-‐typ halvledare

Isolator – SiO2 tox

UGS

Ctot =εoxε0tox



UGS

Kapacitans (F m

-‐2)

Spänning (V)

P-‐typ halvledare


UGS

Ctot =εoxε0tox



UGS

Kapacitans (F m

-‐2)

Spänning (V)

P-‐typ halvledare

Isolator – SiO2 Ctotal =

CoxChalvl

Cox +Chalvl( )tox

dp

UGS

84!Semiconductor physics 2012

In a MOS structure, there are two contributions to the capacitance: that of the oxide and that of the depletion layer (just as in a pn-junction). We thus have two capacitances in series. In accumulation, we have C(=(Co(since there is no depletion layer. In depletion, we find the expression in the top box. The last expression in the top box stems from

1! =

1!!+ 1!!= 1!!+!!!

Ctot =εoxε0tox

Chalvl =εsε0dp



UGS

Kapacitans (F m

-‐2)

Spänning (V)

P-‐typ halvledare


dp

UGS

Ctotal =CoxChalvl

Cox +Chalvl( )



1! =

1!!+ 1!!= 1!!+!!!

Ctot =εoxε0tox

Chalvl =εsε0dp



UGS

Kapacitans (F m

-‐2)

Spänning (V)

P-‐typ halvledare


dp

UGS

Ctotal =CoxChalvl

Cox +Chalvl( )



1! =

1!!+ 1!!= 1!!+!!!

Ctot =εoxε0tox

Chalvl =εsε0dp



Kapacitans (F m

-‐2)

Spänning (V)

P-‐typ halvledare


dp

UGS

En MOS-‐kondensator fungerar som en varaktor: C(V)

Höga f f > 1 MHz

Ctotal =CoxChalvl

Cox +Chalvl( )

Ctot =εoxε0tox



1! =

1!!+ 1!!= 1!!+!!!

Chalvl =εsε0dp

Cox =εrε0tox

Djup utarmning (deep depleCon) – grunden för CCD-‐kameran



Om gatespänningen VG > Vth snabbt läggs på gaten i en MOS-‐kondensator hinner inte inversionsskiktet skapas. Istället hamnar man i sk djup utarmning (deep depleFon) med eQ extra djupt utarmningsområde (W).

Elektronerna kommer så småningom exciteras termiskt från valensbandet men det kan ta sekunder innan termisk jämvikt (och stark inversion) har uppnåQs.

DeQa utnyQjas i bildsensorer där man istället låter ljuset excitera elektronerna.

(I en MOSFET uppstår inversions-‐kanalen mycket snabbt då elektronerna i stället kommer från source och drain)

CCD – Charge Coupled Device


Genom aQ lägga flera kondensatorer inUll varandra och variera gate-‐spänningarna synkroniserat kan elektronerna flyQas.

EC

EV

C

U

Miljontals pixlar med filter för röQ, grönt eller blåQ

Varje pixel har en fotodiod som detekterar ljuset (och eQ antal transistorer)

CMOS-‐kamera

16-‐04-‐13 Föreläsning 7, Komponen8ysik 2016 27

Flash-‐minne

16-‐04-‐13


28


103!Sem

iconductor physics 2012

MOSFET med två gate’ar på varandra, den ena ”flyter” och kan laddas upp (”eQa”) eller laddas ur (”nolla”).

Laddningen på den flytande gate’n påverkar banddiagrammet och därmed tröskelspänningen.

Med en lämplig lässpänning VG kan man avgöra om det finns något inversionsskikt (gate’n är oladdad = nolla) eller ej (gate’n är laddad = eQa).

Gate’n laddas genom aQ man lägger en så stor UDS aQ en del elektroner får så hög hasUghet aQ de via kollisioner tar sig igenom oxiden. Gate’n töms med så stor negaUv VG aQ elektronerna tunnlar Ullbaka genom oxiden.

Föreläsning 7, Komponen8ysik 2016

Documents

Föreläsning+7– Fälteﬀekransistor IV · 160413 ! Föreläsning!7,!Komponen8ysik!2016! 21 U GS! m 2) Spänning!(V)! Ptyphalvledare Isolator+–SiO 2 C total = C ox C halvl (C