II semestar (2+2+0) Prof. dr Dragan Pantić, kabinet 337 ...mikro.elfak.ni.ac.rs/wp-content/uploads/Lec_12_MOS-tranzistori_2019.pdf · MOS tranzistori MOS –Metal Oxide Semiconductor

II semestar (2+2+0)

Prof. dr Dragan Pantić, kabinet 337

[email protected]

2019 – Predavanje 12

http://mikro.elfak.ni.ac.rs

6/5/2019

Elektronske komponente -

Pasivne komponente 2

MOS tranzistori

MOS – Metal Oxide Semiconductor

Tranzistor sa efektom polja – FET (Field

Effect Transistor) – MOSFET

Princip rada predložen još 1932. godine

Prvi Si MOS tranzistor je proizveden tek

1960. godine – planarna tehnologija

Osnovna komponenta IC velike gustine

pakovanja, procesora i memorija

Struktura MOS tranzistora

6/5/2019



Vrste MOS tranzistora

N-kanalni MOS tranzistor

P-kanalni MOS tranzistor

Označavanje MOS tranzistora

Princip rada MOS tranzistora

Razmatramo samo MOS tranzistore

koji se najčešće koriste u praksi:

MOS tranzistor sa indukovanim

kanalom

MOS tranzistor sa uzemljenim

sorsom i supstratom – supstrat i

sors su kratkospojeni

Na površini, između sorsa i drejna, a

jednim delom i iznad njih, nalazi se

tanak sloj oksida (SiO2, Si3N4), koji

služi kao dielektrik

Preko oksida nalazi se gejt

(upravljačka elektroda), tanak sloj

aluminijuma ili polikristalnog silicijuma

S obzirom da su i sors i drejn oblasti

suprotne provodnosti od provodnosti

supstrata, to se u oblasti sorsa i drejna u

supstratu (zato što je koncentracija

primesa u supstratu znatno niža nego u

sorsu i drejnu) formiraju prelazne oblasti p-

n spojeva

Zbog toga što su sors i drejn veoma blizu

(L je reda m), može doći do toga da se

ove oblasti spoje

MOS tranzistori koriste efekat

poprečnog polja

To je polje koje je normalno na

površinu, kojim se ostvaruje inverzija

tipa provodnosti površinskog sloja

poluprovodnika ispod gejta i na taj

način formira kanal između sorsa i

drejna.

Kada se gejt n-kanalnog MOS tranzistora

priključi na pozitivan napon u odnosu na p-

supstrat, pri čemu su i sors i drejn

uzemljeni, u supstratu će se neposredno

ispod oksida na njegovoj površini, usled

dejstva Kulonove sile, indukovati

negativno naelektrisanje i to tako što će se

šupljine iz površinskog sloja udaljiti i

ostaviti nekompenzovane negativno

naelektrisane akceptorske jone.

Pri nekoj vrednosti napona na gejtu, koji se zove napon praga i obeležava sa VT, površinski sloj p-supstrata ispod oksida gejta, između sorsa i drejna, ponaša se kao n-tip poluprovodnika.

Ta oblast se ponaša kao kanal od sorsa do drejna (sors i drejn su istog tipa provodnosti kao indukovani kanal)

Ako se u tim uslovima dovede pozitivan napon na drejn u odnosu na sors, elektroni iz sorsa kroz kanal mogu driftovski da dođu do drejna – u tom slučaju između sorsa i drejna će proticati struja drejna

Ukoliko je napon na gejtu veći, “jača” jeinverzija i veći je broj elektrona u kanalu.

U p-kanalnom MOS tranzistoru inverzija tipa n-supstrata ostvaruje se negativnim naponom na gejtu u odnosu na supstrat, a u indukovanom kanalu se “skupljaju” šupljine.

Izlazne karakteristike MOS

tranzistora

Proticanje struje kroz n-kanalni

MOS tranzistor pri malim naponima na drejnu

Pri veoma malim naponima na drejnu

kanal se može predstaviti kao

otpornik, tako da je struja drejna u

jednom delu strujno-naponske (ID/VD)

karakteristike približno linearno

proporcionalna naponu na drejnu

To je linearna oblast rada MOS

tranzistora

Pri naponima VD < VG VT, struja drejna sporije raste sa povećavanjem napona na drejnu

Kanal se u okolini drejna sužava kao posledica povećavnja širine prelazne oblasti p-n spoja drejn-supstrat, koji je inverzno polarisan.

Ta oblast, zajedno sa linearnom oblašću, sve do napona na drejnu VD = VG VTse zove triodna oblast (podseća na sličnu oblast na strujno-naponskoj karateristici triode).

Karakteristike MOS tranzistora u

linearnoj oblasti rada

Kada u tački y = L debljina kanala postane

jednaka nuli, dolazi do prekida kanala i to

se dešava pri naponu na drejnu VD = VG

VT.

Napon drejna pri kome nastaje prekid

kanala zove se napon zasićenja

(saturacije) VDsat.

Sa daljim povećanjem napona na drejnu,

tj. za VD > VG VT, dužina kanala se

smanjuje sa L na L' .

Na prvi pogled može se pomisliti da će struja

drejna prestati da teče, ali ona i dalje protiče i sa

povećanjem napona na drejnu ostaje

konstantna.

To znači da broj nosilaca naelektrisanja koji sa

sorsa stižu u tačku y = L' ostaje nepromenjen, a

s obzirom da su oni zahvaćeni poljem

osiromašene oblasti drejna, bivaju prebačeni u

drejn, tako da struja drejna ostaje, takođe,

nepromenjena i konstantna.

Zbog toga se oblast rada MOS tranzistora pri

naponima VD VDsat zove oblast zasićenja.

Struja između sorsa i drejna ne prestaje i kada se kanal

prekine, jer se MOS tranzistor ponaša kao bipolarni tranzistor

u stanju prodiranja

Na osnovu izraza za gustinu driftovske struje

(4.1)

struja drejna kroz kanal (pretpostavlja se da koncentracija nosilaca ne zavisi od z) je:

(4.2)

gde su: S – površina kanala normalna na smer struje, Ky – električnopolje u smeru y, W – širina kanala, a n efektivna pokretljivost elektrona u kanalu.

ynKqnqnvJ

x

ynD ndxWKqSJI0

Kako koncentracija elektrona opada sa udaljavanjem od površine po složenom zakonu, integral u (4.2) je relativno je teško izračunati, pa usvajamo aproksimacijukojom se vrednost integrala izjednačava sa ukupnom količinom naelektrisanja po jedinici površine kanala (površine gejta), koja zavisi od električnog polja u oksidu:

(4.3)xoxx

x

x

KDdS

dQndxq

0

Iz (4.2) i (4.3) sledi:

(4.4)

Električno polje u pravcu kanala je:(4.5)

Električno polje u oksidu, koje utiče na provodnost kanala, zavisi od efektivnog napona na gejtu (VGeff = VG – VT) i potencijala tačke y na kanalu. Smatrajući da je oksid homogen i bez prostornog naelektrisanja, debljine tox, biće:

(4.6)

Zamenom vrednosti Ky iz (4.5) i Kx iz (4.6) u (4.4), dobija se:

(4.7)

yxoxnD KWKI

dy

dVK

y

y

ox

yTG

ox

yGeff

xt

VVV

t

VVK

dy

dVVVV

t

WI

y

yTG

ox

oxnD )(

Iz jednačine (4.7), razdvajanjem promenljivih i integraljenjem duž

kanala, sledi:

(4.8)

Granice za promenljivu y su početak (0) i kraj (L) kanala, a za

promenljivu Vy napon kod sorsa, Vy(0) = 0, i napon kod drejna, Vy(L) =

VD. Posle integraljenja i sređivanja dobija se:

(4.9)

gde je

(4.10)

DV

yyTG

ox

oxn

L

D dVVVVt

WdyI

00

)(

22 )(2)(22

DDTGnDDTG

ox

oxn

D VVVVVVVVLt

WI

Lt

W

ox

oxn

n2

TRIODNA OBLAST

Jednačina (4.9) za struju drejna važi samo za VG VT VD,

odnosno u triodnoj oblasti. Za male napone na drejnu drugi član u

srednjim zagradama u (4.9) se može zanemariti u odnosu na prvi

član, pa je tada struja drejna:

(4.11)

gde je Ron otpornost kanala pri malim naponima na drejnu:

(4.12)

on

DDTGnD

R

VVVVI )(2

)(2

1

TGn

onVV

R

Iz (4.11) vidi se da za vrlo male napone na drejnu struja drejna linearno zavisi od napona drejna, tj. tada se MOS tranzistor nalazi u linearnoj (omskoj) oblasti rada. Drugim rečima, tada se MOS tranzistor ponaša kao otpornik čija je otpornost kontrolisana naponom između gejta i sorsa.

Sa druge strane, kada se u (4.9) uvrsti VG VT = VD, dobija se izraz za struju drejna

(4.13)

koji reprezentuje parabolu koja deli triodnu oblast od oblasti zasićenja na izlaznim karakteristikama MOS tranzistora

2TGnD VVI

Realna struja drejna će, ipak, rasti sa

porastom napona na drejnu, posebno kod

MOS tranzistora sa kratkim kanalima.

Ovaj efekat se najjednostavnije može

opisati izrazom:

(4.14)

gde je VA Erlijev napon

A

DTGnD

V

VVVI 1

2

MOSFET sa ugrađenim kanalom

6/5/2019



Depletion-mode MOSFET

Tranzistor je u svom

normalnom stanju, kada je

VGS=0V uključen (ON).

U slučaju n-kanalnog

MOSFETa, potrebno je da

se na gejet dovede –VGSda

bi prešao u OFF stanje.

MOSFET bez ugrađenog kanala

6/5/2019



Enhancement-mode

MOSFET

Tranzistor je u svom

normalnom stanju, kada je

VGS=0V zakočen (OFF).

U slučaju n-kanalnog

MOSFETa, potrebno je da

se na gejet dovede +VGSda

bi prešao u ON stanje.

Prenosne karakteristike MOS

tranzistora

Prenosne karakteristike MOS tranzistora

predstavljaju zavisnost struje drejna od napona na

gejtu, ID = f(VG) za VD = const

Dobijaju se iz (4.9) za triodnu oblast (VD = const):

I iz (4.11) za oblast zasićenja (VD = const):

22 )(2)(22

DDTGnDDTG

ox

oxn

D VVVVVVVVLt

WI

on

DDTGnD

R

VVVVI )(2

Grafička konstrukcija prenosnih karakterisika n-

kanalnog MOS tranzistora na osnovu poznatih

izlaznih karakterisika

Prenosna i izlazne karakteristike p-kanalnog MOS tranzistora

EKVIVALENTNO KOLO MOS TRANZISTORA

ZA MALE SIGNALE – niske učestanosti

Kada se na ulaz dovede mali naizmenični signal niske učestanosti, MOS tranzistor se može smatrati linearnom komponentom i mogu se definisati njegovi linearni parametri.

Označavajući malim slovom u indeksu veličine koje se odnose na efektivne vrednosti naizmenične struje i napona, za struju drejna, koja zavisi i od napona na gejtu i od napona na drejnu, dobijamo:

(4.15)

pri čemu su gm prenosni, a gd izlazni parametar MOS tranzistora, definisani kao:

(4.16)

(4.17)

ddgmd VgVgI

0.

dg

d

DG

Dm

VV

I

constVdV

dIg

0.

gd

d

GD

Dd VV

I

constVdV

dIg

Prenosni parametar gm se kod MOS

tranzistora mnogo češće zove strmina,

zato u stvari predstavlja nagib tangente na

prenosnu karakteristiku

Strmina se može praktično izračunati kao

količnik konačnih priraštaja:

(4.18)

..12

12

constVVV

II

constVV

Ig

DGG

DD

DG

Dm

Grafičko određivanje gm

Do analitičkog izraza za gm može se doći kada

se nađe parcijalni izvod struje drejna po naponu

gejta. Za n-kanalni MOS:

u triodnoj oblasti na osnovu (4.9):

(4.19)

u oblasti zasićenja na osnovu (4.13):

(4.20)

22 )(2)(22

DDTGnDDTG

ox

oxn

D VVVVVVVVLt

WI

2TGnD VVI

Dn

G

Dm V

V

Ig

2 Raste linearno sa povećanjem

napona na drejnu!!!

Raste linearno sa povećanjem

napona na gejtu!!!)(2 TGn

G

Dm VV

V

Ig

Izlazni parametar gd, definisan izrazom (4.17), jeste unutrašnja provodnost i ona je jednaka recipročnoj vrednosti unutrašnje otpornosti MOS tranzistora. Prema slici, na kojoj je data samo jedna izlazna karakteristika, izlazna provodnost je:

(4.21)

Dakle, ako gd, odnosno rd, nalazimo iz nagiba izlazne karakteristike, ne moramo voditi računa o tome da li je u pitanju triodna oblast ili oblast zasićenja.

..

1

12

12

constVVV

II

constVV

I

rg

GDD

DD

GD

D

d

d

Grafičko određivanje izlazne provodnosti

Unutrašnju provodnost možemo analitički odrediti kada se nađe parcijalni izvod struje drejna po naponu drejna i za n-kanalni MOS tranzistor:

u triodnoj oblasti na osnovu (4.9):

u oblasti zasićenja na osnovu (4.14):

)(2 DTGn

D

Dd VVV

V

Ig

A

TGn

D

Dd

V

VV

V

Ig

2)(

22 )(2)(22

DDTGnDDTG

ox

oxn

D VVVVVVVVLt

WI

A

DTGnD

V

VVVI 1

2

Ekvivalentno kolo MOS tranzistora

za male signale i niske učestanosti

EKVIVALENTNO KOLO MOS TRANZISTORA

ZA MALE SIGNALE – visoke učestanosti

Kada se na MOS tranzistor dovede

naizmenični signal male amplitude i visoke

učestanosti, ne mogu se zanemariti

parazitne kapacitivnosti koje postoje

unutar strukture MOS tranzistora i koje

utiču na sam rad tranzistora na tim

frekvencijama.

Parazitne kapacitivnosti u n-kanalnom MOS tranzistoru

Parazitne kapacitivnosti u n-kanalnom MOS tranzistoru

Ekvivalentno kolo MOS tranzistora za

male signale i visoke učestanosti

Primene MOS tranzistora

Prekidač

n-kanalni MOS

Kada VGS>0,

tranzistor vodi,

ponaša se kao kratak

spoj i tada je Vout≈0

Kada je VGS=0,

tranzistor je zakočen i

tada je VGS=VDD

6/5/2019



MOS tranzistor kao prekidač

6/5/2019



MOSFET predstavlja odličan prekidač zbog svoje male otpornosti

kada je u ON stanju i ekstremno velike otpornosti kada je u OFF stanju

Cut-OFF karakteristika

Ulaz i GATE su

uzemljeni

VGS<VTH

MOSFET je u OFF

stanju

ID=0

Vout=VDS=VDD → 1

MOSFET radi kao

otvoreni prekidač

6/5/2019



Saturaciona karakteristika

Ulaz i GATE su povezani na

VDD

VGS>VTH

MOSFET je u ON stanju

ID=VDD/RL

VDS=0 (idealna saturacija)

Minimalna otpornost kanala je

RDS(on)<0.1W

Vout=VDS~0.2V zbog RDS(on)

MOSFET radi kao niskoomski

zatvoreni prekidač

6/5/2019




Pojačavač

n-kanalni MOS

Kada je VGS=0, tranzistor

je u OFF stanju

Kada je napon na gejtu

veći od VT počinje da

teče struja drejna, koja

raste sa povećanjem VGS

što dovodi do povećanja

napona Vout.

6/5/2019



MOS tranzistor kao pojačavač

6/5/2019




Čoper

n-kanalni MOS

Koriste se prekidačke

karakteristike

DC napon na drejnu se

konvertuje u AC iste

amplitude, pri čemu se na

gejt dovodi SVW (square

voltage waveform)

Tranzistor radi u cut-off i

saturacionom režimu

6/5/2019



Komplementarni MOSFET kao

bi-direkcioni prekidač

6/5/2019



CMOS invertor Osnovna ćelija digitalnih CMOS integrisanih kola je CMOS invertor

Koristi se par MOS tranzistora – jedan n-kanalni i jedan komplementarni p-kanalni tranzistor

Korišćenje komplementarnog para MOS tranzistora omogućava projektovanje digitalnih kola sa minimalnom potrošnjom energije

Karakteristika CMOS kola da imaju nisku potrošnju energije je proširila primenu digitalnih kola

Prekidačka brzina, odnosno maksimalna radna frekvencija, bila je u početku nedostatak CMOS kola, ali je savremenim tehnološkim postupcima postugnuto izuzetno smanjivanje dimenzija MOS tranzistora, što je dovelo do veoma velikog porasta brzine

Smanjivanje dimenzija je, tako|e, omogućilo porast nivoa integracije, i realizaciju digitalnih integrisanih kola velikih operativnih mogućnosti

CMOS tehnologija je postala dominantna elektronska tehnologija!!!

CMOS invertor

CMOS invertor

U CMOS invertoru upravljačke elektrode

G1 i G2 n-kanalnog i p-kanalnog

tranzistora međusobno su spojene i služe

kao ulazna elektroda invertora

Drejn D1 n-kanalnog i drejn D2 p-kanalnog

tranzistora su takođe međusobno spojeni i

oni su izlazna elektroda invertora

Sors S1 n-kanalnog tranzistora je

uzemljen, a sors S2 p-kanalnog tranzistora

je spojen na napajanje VDD.

p-kanalni i n-kanalni MOS tranzistori su komplementarni po karakteristikama i naponi praga su suprotni po predznaku i jednaki po apsolutnom iznosu

Kad se na ulaz G CMOS invertora dovede napon logičke nule, što odgovara naponu VGS1 = 0, tada n-kanalni MOS ne vodi

Napon između kontrolne elektrode G2 i sorsa S2 p-kanalnog MOS tranzistora je negativan i približno jednak VDD

Napon praga tog tranzistora je negativan, p-kanalni MOS tranzistor vodi

Princip rada CMOS invertora

NMOS

PMOS

0 V

Međutim, kako je n-kanalni tranzistor zatvoren, p-kanalni MOS radi s vrlo malom strujom drejna Is n-kanalnog MOS tranzistora, i nalazi se na samom početku triodnog područja

Napon VDS1 = Viz ≈ VDD, pa logičkoj nuli na ulazu odgovara logička jedinica na izlazu

Taj slučaj ilustrovan je na slici – radna tačka T1 odgovara izlaznom naponu VDD i struji drejna ID = IS

Menjanjem napona napajanja VDD može se menjati po želji napon logičke jedinice.


NMOS

PMOS

0 V

Ukoliko se na ulaz CMOS invertora dovede napon logičke jedinice, tj. napon +VDD, tada n-kanalni MOS tranzistor vodi

Napon kontrolne elektrode G2 prema sorsu S2 je jednak nuli, pa p-kanalni tranzistor ne vodi

Zato n-kanalni MOS tranzistor vodi vrlo malu struju drejna p-kanalonog MOS tranzistora, pa se nalazi na samom početku triodnog područja karakteristika


NMOS

PMOS

+VDD

Taj slučaj je predstavljen na slici, gde je označena tačka T2 koja odgovara stanju logičke nule na izlazu.

Pri vođenju n-kanalnog i pri vođenju p-kanalnog MOS tranzistora troši se veoma malo energije, s obzirom da u oba slučaja protiče izuzetno mala struja drejna jednog od tranzistora!!!


NMOS

PMOS

+VDD

Documents

II semestar (2+2+0) Prof. dr Dragan Pantić, kabinet 337 ...mikro.elfak.ni.ac.rs/wp-content/uploads/Lec_12_MOS-tranzistori_2019.pdf · MOS tranzistori MOS –Metal Oxide Semiconductor