Dt Mosfet New

Transistor hiệu ứng trường MOSFET Nguyễn Quốc Cường Bộ môn 3I-HUT

Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường

Giới thiệu •

MOSFET: Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

•

MOSFET được sử dụng nhiều trong công nghệ chế tạo IC –

Kích thước nhỏ

–

Công suất tổn hao thấp

–

Giá thành thấp

•

Chế tạo IC tương tự và số có độ tích hợp cao

•

MOSFET có 2 kiểu

•

–

Enhancement MOSFET (được sử dụng nhiều)

–

Depletion MOSFET

–

Chúng ta sẽ xem xét Enhancement MOSFET

Một tên khác của MOSFET là IGFET (Insulated-gate FET)

Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường

Cấu trúc

N-channel enhancement-type MOSFET (gọi tắt n-MOSFET) Thường L = 0.1 đến 3µm, W=0.2 đến 100 µm, tOX = 2 đến 50nm

Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường

•

MOSFET có 3 cực –

Cực G (Gate)

–

Cực D (Drain)

–

Cực S (Source)

•

Do lớp oxide chắn giữa cực G nên dòng cực gate là rất nhỏ (cỡ 10-15A)

•

MOSFET là thiết bị đối xứng,có nghĩa là cực D và S có thể thay đổi vai trò của nhau mà không làm thay đổi đặc tính của MOSFET

•

Khi không có điện thế phân cực cho G, thì giữa D và S coi như 2 diode mắc ngược nhau Æ nếu có điện áp giữa S và D thì sẽ không tạo ra dòng điện Æ điện trở lớn (cỡ 1012Ω)

Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường

Hình thành kênh dẫn trong n-MOS

Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường

• •

Cực Body, D và S nối đất Cực G được cung cấp một điện áp dương: – –

•

Nếu vGS nhỏ: – –

•

Các lỗ trống gần cực G sẽ bị đẩy ra xa Các e của bán dẫn n+ từ S và D sẽ bị kéo vào cực G số e tập trung ít chưa hình thành kênh dẫn

Khi vGS tăng: – – – –

nhiều điện tử được tâp trung trong vùng dưới cực G hình thành kênh dẫn n (n-MOSFET) điện áp tạo đó hình thành kênh dẫn được gọi là điện áp ngưỡng Vt (thường từ 0.5V đến 1.0V) Độ sâu của kênh dẫn tỉ lệ với điện áp giữa điện thế cực G và điện thế của kênh dẫn

Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường

Vùng triode – vDS nhỏ

Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường

•

Thiết lập điện áp vDS nhỏ (cỡ 50mV): –

•

•

Các điện tử dịch chuyển từ S đến D -> tạo ra dòng iD (chiều từ D đến S)

Dòng iD –

phụ thuộc vào nồng độ điện tử tập trung trong kênh dẫn, đại lượng này lại phụ thuộc vào vGS

–

phụ thuộc vào vDS

Thực tế khi vDS nhỏ, dòng iD tỉ lệ tuyến tính với (vGS – Vt) cũng như vDS --> được coi như là điện trở (RDS) được điều khiển bằng điện áp vGS

Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường

Đặc tính iD-vDS khi vDS nhỏ

Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường

Hoạt động của MOSFET khi vDS lớn •

Giữ VGS = const ( > Vt) và tăng vGS Dọc theo kênh dẫn từ S đến D,: • điện áp thay đổi từ 0 đến vDS • điện áp so với cực G tăng từ vGS đến (vGS – vDS) Æ độ sâu của kênh dẫn sẽ có hình thang : nở rộng tại S và thu nhỏ tại D

Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường

•

Æ

•

Dọc theo kênh dẫn từ S đến D,: –

điện áp thay đổi từ 0 đến vDS

–

điện áp so với cực G tăng từ vGS đến (vGS – vDS)

độ sâu của kênh dẫn sẽ có hình thang : nở rộng tại S và thu nhỏ tại D Nếu tiếp tục tăng vDS •

dòng điện iD tăng

•

vGD sẽ giảm kênh dẫn sẽ tiếp tục bị bóp nhỏ lại ở gần cực D Æ điện trở tăng lên theo

•

vDS tăng đến giá trị mà tại D điện thế giảm đến vGD = Vt Æ độ sau kênh dẫn bằng D sẽ bằng 0 Æ điểm pinched-off

•

Tại pinched-off: dòng điện hầu như không tăng khi vDS tiếp tục tăng

Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường

iD-vDS của e-NMOS khi vGS > Vt

Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường

Chế độ làm việc của MOSFET •

Kênh dẫn chỉ hình thành khi vGS > Vt: –

Khi vDS < (vGS-Vt) Æ dòng điện iD tỉ lệ thuận với vDS và vGS Æ vùng điện trở điều khiển (hay vùng triode)

–

Khi vDS ≥ (vGS-Vt) dòng điện không tăng khi vDS tăng Æ vùng bão hòa

Độ sâu của kênh dẫn khi vGS = const, và vDS tăng Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường

Dòng điện iD •

Khi vGS < Vt dòng iD ≅ 0 (vùng cut-off)

•

Khi vGS > Vt , dòng điện iD được tính theo công thức

iD = kn'

iD =

W⎡ 1 2 ⎤ v V v vDS ⎥ − − ( GS t ) DS ⎢ L ⎣ 2 ⎦

1 ' W 2 kn ( vGS − Vt ) 2 L

( vùng triode )

( vùng bão hòa )

k’n : tham số hỗ dẫn quá trình (phụ thuộc vào công nghệ sản xuất MOSFET) (đơn vị : A/V2) W: chiều rộng kênh dẫn L: chiều dài kênh dẫn W/L : tỉ số hình dạng của MOSFET (aspect ratio) (Với công nghệ của năm 2003, Lmin = 0.13µm, Wmin = 0.16µm, bề dày lớp oxide có thể đạt 2nm) Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường

MOSFET kênh P (PMOS) •

Chế tạo trên một đế bán dẫn kiểu n, cực D và S là các vùng p+

•

Thiết bị hoạt động giống như NMOS, ngoại trừ rằng vGS và vDS có giá trị âm

•

Điện áp ngưỡng Vt cũng có gía trị âm

•

Dòng điện vào từ S ra ở D

Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường

CMOS •

Được sử dụng nhiều trong công nghệ chế tạo IC (cả tương tự và số)

Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường

Ký hiệu NMOS

a. b. c.

Ký hiệu NMOS Một kiểu ký hiệu khác của NMOS Ký hiệu rút gọn trong trường hợp cực B (body) được nối với S hoặc trong trường hợp hiệu ứng của Body là nhỏ có thể bỏ qua

Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường

Ký hiệu PMOS

a.

Ký hiệu PMOS

b.

Một cách ký hiệu khác của PMOS

c.

Trong trường hợp B nối với S

Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường

Đường cong đặc tính iD - vDS

Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường

mô hình tín hiệu lớn của NMOS trong vùng bão hòa

Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường

Hiệu ứng thay đổi chiều dài kênh dẫn (channel-length modulation) •

Khi vDS tăng lớn hơn vDSsat (=vGS-Vt) thì điểm pinched-off có xu hướng dịch ra xa D Æ giảm chiều dài kênh dẫn

Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường

1 ' kn 2 1 ' = kn 2

iD =

W 2 ( vGS − Vt ) L-∆L W 1 2 ( vGS − Vt ) L 1 − ∆L L

Nếu coi (∆L / L << 1) ta có

∆L ⎞ 1 ' W⎛ 2 ≅ kn 1+ ( vGS − Vt ) 2 L ⎜⎝ L ⎟⎠ Nếu giả thiết ∆L tỉ lệ tuyến tính với vDS , ∆L / L = λ vDS

iD =

1 ' W 2 kn v V − ( GS t ) (1 + λ vDS ) 2 L

λ : là một tham số quá trình (đơn vị V-1)

Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường

Đặc tính iD-vDS và ảnh hưởng của vDS

Transistor hiệu ứng trường Nguyễn Quốc Cường