Föreläsning 11 Fälteffekttransistor II

Transkript

1 Föreläsning 11 Fälteffekttransistor Fälteffekt Tröskelspänning Beräkning av strömmen Storsignal, D Kanallängdsmodulation Flatband-shift pmosfet Föreläsning 11, Komponentfysik 013 1

2 Komponentfysik - Kursöversikt Bipolära Transistorer pn-övergång: kapacitanser Optokomponenter pn-övergång: strömmar Minnen: Flash, DRAM MOSFET: strömmar MOSFET: laddningar pn-övergång: nbyggd spänning och rymdladdningsområde Dopning: n-och p-typ material Laddningsbärare: Elektroner, hål och ferminivåer Halvledarfysik: bandstruktur och bandgap Ellära: elektriska fält, potentialer och strömmar Föreläsning 11, Komponentfysik 013

3 Plattkondensator - Fälteffekt gs =1V gs =0V gs =V gs =3V Metall P-typ halvledare Joniserade acceptoratomer (N A ) Hål Elektroner Föreläsning 11, Komponentfysik 013 3

4 Tröskelspänning stark inversion yta F Spänning över iden F r N e 0 A F n yta =p p0 =N A + Q - N Spänning över halvledaren 0 t F ln t N n i A -q th q F Laddning vid stark inversion: Q N N Q ( 0 ) Föreläsning 11, Komponentfysik 013 4

5 Metal-Oxid-Semiconductor Field Effect Transistor Gate = 0.V 0.4V 1.0V Source solator SiO Drain N ++ N ++ P-typ semiconductor Föreläsning 11, Komponentfysik 013 5

6 minuters övning + solator SiO N ++ N ++ y=0 y=l y En nmosfet är biaserad i mättnadsområdet. Vilket värde har d (y)/dy mellan y=0 och y=l? Föreläsning 11, Komponentfysik 013 6

7 Fälteffekttransistor - nmosfet - Geometri Z Oxid Gate Stark nversion DX tjockt ledande lager vid ytan Source Kanal Drain x L y Z DX Q N (y) V Föreläsning 11, Komponentfysik 013 7

8 Beräknig av ström nmos: Lång kanal (L g >1µm) Oxid 0< cs (y)< y Kanal ε Q N th y ( y) Z ε Q y y n y ( y) N y Lös med: cs cs d dy (0) 0 ( L) Föreläsning 11, Komponentfysik 013 8

9 Ström och kanal linjära området 5 Drainström (ma) = - th 0 gs < th Zn L th gs > th > th + gs Drainspänning (V) Föreläsning 11, Komponentfysik 013 9

10 Ström och kanal mättnadsområdet Drainström (ma) = - th, sat Zn L Pinch off: oberoende av 0 Q N < - th Drainspänning (V) th ( y) Q N 0 = - th th > - th Q N L 0 QN th ( y) L 0 Q N Föreläsning 11, Komponentfysik

11 minuters övning negativa A B + V gs + D - Drain Föreläsning 11, Komponentfysik 01 11

12 Drainström (ma) Linjära området th = - th Mättnadsområdet Drainspänning (V) Ström ideal nmos Drainström (ma) > G = Gatespänning (V) Strypd ( < ) Z n L th Biaseras så att: > - th > th Mättnadsområdet, sat Zn L th Föreläsning 11, Komponentfysik 013 1

13 Exempel - nmos =1.0 V =3 mf/m µ n =0.135 m /Vs L=5 µm Z=50 µm Beräkna strömmen för 1) =0.5, 1, & 3V om =0V ) =0.5, 1, & 3V om =.5V Linjära området Zn L Mättnadsområdet, sat Zn L Föreläsning 11, Komponentfysik

14 Ström icke ideal nmos, kanallängdsmodulation 5 Drainström (ma) Kanallängdsmodulation i mättnadsområdet Ger utgångskonduktans typiskt V Drainspänning (V), sat Zn 1 L V Föreläsning 11, Komponentfysik

15 Exempel nmos med utgångdkonduktans =1.0 V =3 mf/m µ n =0.135 m /Vs L=5 µm Z=50 µm =0.0 V -1 Beräkna strömmen för 1) =0.5, 1, & 3V om =0V ) =0.5, 1, & 3V om =.5V Linjära området Zn L Mättnadsområdet, sat Zn L Föreläsning 11, Komponentfysik

16 D Storsignalmodell, mättnadsområdet G G gate gate deal: Bara om: > th > + th Source cke deal: drain k ( - th ) drain ds ds Source (1+ ) k( - th ) Drainström (ma) > - th Gatespänning (V) k Z L G = Föreläsning 11, Komponentfysik

17 Flatband-shift F r 0N Ae F deal MOSFET fb F r N e 0 A F Verklig MOSFET E E E E i E i E i E Fgate E Fsub E V E Fgate E Fsub E V E Fgate E Fsub E V Föreläsning 11, Komponentfysik

18 minuter övning. nmosfet inverterad + Skissa -V om vi har SD biaserat en nmosfet inverterad! + SD > 0 GD > 0 pinch-off SD Linjärt Mättnad ökar n-mosfet n-mosfet SD Föreläsning 11, Komponentfysik

19 PMOS Gate = - 0.V 0.4V 1.0V Source solator SiO Drain =-1V P ++ P ++ N-typ semiconductor Attrahera hål vid ytan slås på då är negativ! Korrekt operation - < 0V Föreläsning 11, Komponentfysik

20 nmos och pmos +.0 V nmos: positiv positiv Strömmen flyter från drain till source +.0 V SD > 0 pmos: negativ negativ SD positiv Strömmen flyter från source till drain < 0 Linjärt pinch-off p-mosfet Mättnad ökar minskar Mättnad n-mosfet pinch-off Linjärt Föreläsning 11, Komponentfysik 013 0

21 Sammanfattning Z: MOSFETs bredd (m),sat : mättnadsströmmen efter pinchoff (A) : kanallängsmodulationsfaktor (V -1 ) Föreläsning 11, Komponentfysik 013 1