Föreläsning 7 Fälteffek1ransistor IV

Transkript

1 Föreläsning 7 Fälteffek1ransistor IV PMOS Småsignal FET A, f t MOS- Kondensator D/MOS- kamera Flash- minne 1

2 PMOS U Gate U - 0.V 1.0V 0.4V Source Isolator SiO Drain U - 1V P ++ N- typ semiconductor P ++ I - 1 ma AQrahera hål vid ytan: slås på då U är negav! Korrekt operauon: U < 0V, hål från source Ull drain

3 PMOS - Banddiagram + E Fgate E E Fsub E i - q U - q U th - q U ζ U : E V 0 U th U TH Φ F ε ε r 0NDe ' ox Φ F N Ut ln n 3 Φ F D i

4 PMOS Ström- Spänning Linjära området U U TH <U I ' ox Zµ L p ( U U ) TH U U MäQnadsområdet U U TH U I, sat ' ox Zµ L p ( U U ) - q U TH I Linjärt pinch- off p- MOSFET I Mä1nad Mä1nad U n- MOSFET U pinch- off Linjärt 4

5 nmos och pmos I +.0 V nmos: U posiuv I posiuv Strömmen flyter från drain Ull source I < V U > 0 pmos: U negauv I negauv I SD posiuv Strömmen flyter från source Ull drain U < 0 - q U I SD > 0 I pinch- off Linjärt Mä1nad n- MOSFET U ökar U U minskar Dvs blir mer negauv p- MOSFET Mä1nad pinch- off I Linjärt U 5

6 nmos och pmos I +.0 V nmos: U posiuv I posiuv Strömmen flyter från drain Ull source U < V U > 0 pmos: U negauv I negauv Strömmen flyter från source Ull drain - q U I < 0 I pinch- off Linjärt Mä1nad n- MOSFET U ökar U U minskar Dvs blir mer negauv p- MOSFET Mä1nad pinch- off I Linjärt U 6

7 minuters övning - MOS U dd 1V nmos: U th 0.5V pmos: U th - 0.5V U in 1V + I d U out? + Hur stor är I d? Vilket värde har U out? - - 7

8 I Linjära U U - U th pinch-off Ström - nmos I Mättnad U > U +U TH U TH U U Linjära området U U > U TH I ' ox Zµ n L ( U U ) TH U U MäQnadsområdet U U TH U I, sat ' ox Zµ n L ( U U ) TH 8

9 I Småsignalmodell - D ( U + uds, U + ugs) Taylorutveckling: I ( U, U Utgångskonduktans: i i ds g Transkonduktans: I ) + Småsignalströmar: g 0 m u gs + g g g o m o ( U, U ) I ( U, U ) U u di du di du ds U u ds U U U U U U i g u gs 9 + gate + - g m u gs Source u u i U U I D bias + i u ds gs + u + u ds gs Småsignal drain r o i ds u ds

10 Småsignalmodell - D I k ( U U ) TH U U Linjära området k Z L ' ox µ n I, sat k ( U U ) TH ( 1+ λu ) MäQnadsområdet g r o m k 1 g o ( U U ) k ku th ( U U ) 1 1 λi th k I U i g gate drain + u gs g m u gs r o - Source i ds 10

11 Transkonduktans g m k ( U U th ) k I g m Z ε ox t ox µ n 1 L ε 0 ( U U th) k Z L ' ox µ n ε ε ' ox 0 ox tox Hög transkonduktans: Tunnare oxid Kortare gate- längd + mindre transistor Större Z tar större plats Så tunna oxider som möjligt Så korta gate:ar som möjligt Låg bredd liten yta! Högre µ n Högre ε ox Stressors, III- V (?) SiO : 3.9 HfSiO x : 0 11

12 Transistorskalning L ~ nm <<< 1 µm! Gate- Längd µ n ε r?? 1

13 Småsignalmodell A kapacitanser i mä1nadsmod δu Isolator SiO GD N ++ N ++ P- typ halvledare δ Q G G δu G G >> + GD GD 3 A ' ox Z L ' ox 13

14 Småsignalmodell i mä1nadsområdet : A Småsingal - D Småsingal - A G D G GD D g m U r 0 g m U r 0 S S S S g r o k m I k 1 λi 3 Z L ' ox Z L ' ox µ n g m U r 0 14 G S A - Förenklad D S

15 Frekvensegenskaper lång gate h 1 i i ds g V ds 0 G g m U r ds D Z 1 jω S S Högsta frekvens (ff t ) där transistorn har strömförstärkning: h 1 1 Nodanalys med Kirchoff s strömlag f t ( U U ) gm µ n π πl TH L > 1 µm gs 15

16 Transistorer på nanoskala - dri^hasghet ElektronhasUghet v d υ d ε υ d υ s L 3 nm Elektriskt fält E U ds /L Nano- FET: U /L > E c elektronerna rör sig med mäqnadshasughet! ' ' MäQnadområdet: I QNvs ox g m ökar inte med L! v s ( U U ) th 16

17 Transistorer på nanoskala transkonduktans & f t I ' ox v s ( U U ) th g m ' ox v s L 3 nm v s m/s G D S g m U r ds S g f m T Z ' ox vs πl v s Kortare gate- längd: Högre f t! 17

18 Transistorer på nanoskala transkonduktans & f t f t Lång (µm) gate ( U U ) gm µ n π πl gs TH Kort (nm) gate f T vs πl Exempel. Beräkna f t för en Si- transistor med L g 1µm, och L g 90 nm. µ n m/vs v s 10 5 m/s 18

19 MOS- kondensator (MOSAP) tot ε oxε 0 t ox U t ox Isolator SiO P- typ halvledare Kapacitans (F m - ) Spänning (V) U 19

20 MOS- kondensator (MOSAP) tot ε oxε 0 t ox U t ox Isolator SiO P- typ halvledare Kapacitans (F m - ) Spänning (V) U 0

21 MOS- kondensator (MOSAP) tot ε oxε 0 t ox U t ox d p Isolator SiO total ox halvl ( ox + halvl ) P- typ halvledare Kapacitans (F m - ) halvl ε sε 0 d p Spänning (V) U 1

22 MOS- kondensator (MOSAP) tot ε oxε 0 t ox U t ox d p Isolator SiO P- typ halvledare Kapacitans (F m - ) total ox halvl ( ox + halvl ) halvl ε sε 0 d p Spänning (V) U

23 MOS- kondensator (MOSAP) tot ε oxε 0 t ox U t ox d p Isolator SiO P- typ halvledare Kapacitans (F m - ) total ox halvl ( ox + halvl ) halvl ε sε 0 d p Spänning (V) U 3

24 MOS- kondensator (MOSAP) total ox halvl ( ox + halvl ) tot ε oxε 0 t ox ox ε rε 0 t ox U t ox d p Isolator SiO P- typ halvledare Kapacitans (F m - ) halvl ε sε 0 d p Spänning (V) Höga f f > 1 MHz En MOS- kondensator fungerar som en varaktor: (V) 4

25 Djup utarmning (deep depleon) grunden för D- kameran Om gatespänningen V G > V th 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) 5

26 D harge oupled Device Genom aq lägga flera kondensatorer inull varandra och variera gate- spänningarna synkroniserat kan elektronerna flyqas Föreläsning 7, Komponen8ysik 016 6

27 MOS- kamera Miljontals pixlar med filter för röq, grönt eller blåq Varje pixel har en fotodiod som detekterar ljuset (och eq antal transistorer) E E V U 7

28 Flash- minne 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 V G 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 U aq en del elektroner får så hög hasughet aq de via kollisioner tar sig igenom oxiden. Gate n töms med så stor negauv V G aq elektronerna tunnlar Ullbaka genom oxiden. 8