Elektronik. MOS-transistorn. Översikt. Då och nu. MOS-teknologi. Lite historik nmosfet Arbetsområden pmosfet CMOS-inverterare NOR- och NAND-grindar

Transkript

1 Översikt Pietro Andreani Institutionen för elektro- och informationsteknik unds universitet ite historik nmofet Arbetsområden pmofet CMO-inverterare NOR- och NAN-grindar MO-teknologi å och nu Metal-e-silicon field-effect transistor fälteffekttransistor MOFET metall--halvledare Bakom den otroligt snabba utvecklingen i digital elektronik (och, varför inte, också analog elektronik) under de senaste årtiondena 1971: Intels första kommersiella mikroprocessor (4004): 10mm pmo teknologi (d v s man använde en teknologi som tillhandahöll pmotransistorer med minimilängd på 10mm), 300 transistorer Idag: 14nm FinFET process (smartphones o s v) Mer än 1 miljard transistorer på ett och samma chips Intel 4004, mm pmo komponenter 740kHz clock 3mm x 4mm AM Zen, nm FinFET, 1 Metals, MiMCap komponenter 3.4GHz clock 44mm (~ 8.4mm x 5.mm) 3 4

2 Moores lag (Moore s law) Gordon Moore medgrundare av Fairchild och Intel (!) Hans ursprungliga lag: komplexiteten hos den integrerade krets som tillandahåller minimikomponentkostnad dubblerar varje år Moores lag (Moore s law) Moore s lag nuförtiden: antalet transistorer på ett chips dubblerar varje 18-4:e månader Ursprunglig plott från komponenter på ett chips är 1975 I believe that such a large circuit can be built on a single wafer 5 6 MOFET med n-kanal tate-of-the-art Moderna MOFET är inte särskilt platta! = source G = gate (styr) = drain FinFET: inte längre planar mer yta under styret! 7 8

3 MOFET med n-kanal MOFET med n-kanal = source G = gate (styr) = drain = source G = gate (styr) = drain och B är ofta sammankopplade bara tre terminaler G och B är isolerade genom ett tunt skikt (bara några nm tjock) Om en tillräckligt stor (positiv) spänning appliceras mellan G och dras elektroner till regionen under G, och en kanal av n-typ skapas mellan och Om en positiv spänning appliceras nu mellan och, flyter elektronerna från till, d v s en positiv ström flyter från till Konstruktören kan fritt (men inom vissa gränser) välja värdena på och W, men man får naturligtvis inte minska dem bortom teknologins ytterst gränser Transistorns snabbhet är omvänt proportionell mot, som numera bara är några få nm! I digitala tillämpningar finns det inte några skäl att välja större än den absoluta minimilängden 9 10 Avstängningsområde injärområde (triodområde) Om v G < V t, där V t är en viss tröskelspänning (som är fastställd av processingenjörerna och som kretskonstruktörerna inte kan ändra), kan inte n-kanalen skapas. Ingen ström kan följaktligen flöda mellan och : komponenten är avstängd ( cut off ) i = 0 Om vg - Vt > 0 skapas en n-kanal under styret, och en ström kan flöda mellan och injärområde: om vg - Vt > 0 och v < vg -Vt trömmen i är proportionell till vg -Vt m = elektronernas mobilitet C ox = styrens kapacitans per ytenhet W i m = Cox ( vg Vt ) v Ø º - ø ß 11 1

4 MOFET som switch Om vg - Vt > 0 och v < vg -Vt fungerar MOFETen som en switch (en linjär sådan, åtminstone idealt, eftersom dess resistans inte är beroende på spänningen över samma resistans) G R sw Mättnadsområde (aktivområde) Gränsen mellan triodområde och mättnadsområde ges av v = vg -Vt, då kanalen stryps vid därefter ökar i idealt inte längre, även om fortsätter öka trömmen i mättnadsområde blir således W Ø v ø 1 W i = mcox Œ vg -Vt v - œ = Cox vg -Vt º ß v = v G -V t ( ) m ( ) v Vi kan lätt hitta värdet på denna resistans: W dv 1 1 i = mcox Ø( vg Vt ) v Rsw º - øß fi = = = di W di dv mcox ( vg -Vt) Med vanliga värden för m, Cox, W,, och ( vg -Vt) är resistansen åtminstone några hundratals W hög trots det fungerar MOFETen ofta som en utmärkt switch Mättnadsområde pmofet I det här området arbetar komponenten som riktig transistor: den levererar en utgångsström vars storlek man kan styra från styret, och som idealt ser ett oändligt stort utgångsmotstånd idealisk strömkälla I praktiken är detta mer eller mindre osant: i varierar mer eller mindre med p g a många olika andraordningseffekter v 1 W i = mc v ox I det här fallet är det en p-kanal som bildas under styret, med hål som laddningsbärare En pmofet placeras i en n-ficka, som själv innesluts av det gemensamma p-substratet Eftersom hål är positivt laddade flödar strömmen från till Alla ekvationer för pmofet är identiska med nmofets, med skillnaden att alla spänningar är negativa istället för positiva Gemensam substrat för hela kiselskivan p p + n-ficka G n p + B 15 16

5 Tabell med ganska gamla CMO-värden CMO = komplementär MO, d v s både nmo och pmo ogiska grindar i CMO inverterare Om V in är hög (V in = V ) finns det en n-kanal mellan jord och utgång V out ; dessutom är pmofeten avstängd eftersom dess styre är högt V out är jordad, d v s V out är låg Omvänt, om V in är låg (V in = 0) finns det en p-kanal mellan V och V out, medan nmofeten är avstängd eftersom dess styre är låg V out är kopplad till V, d v s V out är låg inverterare! ägg märke till ett grundläggande egenskap, här och i alla CMO-grindar: ingen statisk strömförbrukning! NAN NOR Utgången är låg bara om båda ingångarna är höga, eftersom nmofetarna är i serie: OUT = A B pmofetarna måste implementera den komplementära binärfunktionen, jämfört med nmofetarna: OUT = A B = A + B Utgången är låg när åtminstone en ingång är hög, eftersom nmofetarna är i parallell: OUT = A + B 19 0