Föreläsning 11 Fälteffekttransistor Fälteffekt Tröskelspänning Beräkning av strömmen Storsignal, D Kanallängdsmodulation Flatband-shift pmosfet 013-05-03 Föreläsning 11, Komponentfysik 013 1
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 013-05-03 Föreläsning 11, Komponentfysik 013
Plattkondensator - Fälteffekt gs =1V gs =0V gs =V gs =3V + + + + + + + + + + + + + Metall P-typ halvledare Joniserade acceptoratomer (N A ) Hål Elektroner 013-05-03 Föreläsning 11, Komponentfysik 013 3
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 ) 013-05-03 Föreläsning 11, Komponentfysik 013 4
Metal-Oxid-Semiconductor Field Effect Transistor Gate = 0.V 0.4V 1.0V Source solator SiO Drain N ++ N ++ P-typ semiconductor 013-05-03 Föreläsning 11, Komponentfysik 013 5
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? 013-05-03 Föreläsning 11, Komponentfysik 013 6
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 013-05-03 Föreläsning 11, Komponentfysik 013 7
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) 0 013-05-03 Föreläsning 11, Komponentfysik 013 8
Ström och kanal linjära området 5 Drainström (ma) 4 3 1 0 = - th 0 gs < th Zn L th gs > th > th + gs 0 1 3 4 5 6 Drainspänning (V) 013-05-03 Föreläsning 11, Komponentfysik 013 9
Ström och kanal mättnadsområdet Drainström (ma) 5 4 3 1 = - th, sat Zn L Pinch off: oberoende av 0 Q N 0 1 3 4 5 6 < - th Drainspänning (V) th ( y) Q N 0 = - th th > - th Q N L 0 QN th ( y) L 0 Q N 013-05-03 Föreläsning 11, Komponentfysik 013 10
minuters övning negativa A B + V gs + D - Drain 013-05-03 Föreläsning 11, Komponentfysik 01 11
Drainström (ma) 5 4 3 1 0 Linjära området th = - th Mättnadsområdet 0 1 3 4 5 6 Drainspänning (V) Ström ideal nmos Drainström (ma) 4.5 4 3.5 3.5 1.5 1 0.5 0 > G =0 0 1 3 4 Gatespänning (V) Strypd ( < ) Z n L th Biaseras så att: > - th > th Mättnadsområdet, sat Zn L th 013-05-03 Föreläsning 11, Komponentfysik 013 1
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 013-05-03 Föreläsning 11, Komponentfysik 013 13
Ström icke ideal nmos, kanallängdsmodulation 5 Drainström (ma) 4 3 1 Kanallängdsmodulation i mättnadsområdet Ger utgångskonduktans typiskt 0.005-0.05 V -1 0 0 1 3 4 5 6 Drainspänning (V), sat Zn 1 L V 013-05-03 Föreläsning 11, Komponentfysik 013 14
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 013-05-03 Föreläsning 11, Komponentfysik 013 15
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) 4.5 4 3.5 > - th 3.5 1.5 1 0.5 0 0 1 3 4 Gatespänning (V) k Z L G = 0 013-05-03 Föreläsning 11, Komponentfysik 013 16
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 013-05-03 Föreläsning 11, Komponentfysik 013 17
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 013-05-03 Föreläsning 11, Komponentfysik 013 18
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 013-05-03 Föreläsning 11, Komponentfysik 013 19
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 013-05-03 Föreläsning 11, Komponentfysik 013 0
Sammanfattning Z: MOSFETs bredd (m),sat : mättnadsströmmen efter pinchoff (A) : kanallängsmodulationsfaktor (V -1 ) 013-05-03 Föreläsning 11, Komponentfysik 013 1