A térvezérelt tranzisztorok I. Segédanyag a Villamosmérnöki Szak Elektronika I. tárgyához Belső használatra! BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar Elektronikus Eszközök Tanszéke Székely Vladimír 2001 március
A térvezérelt tranzisztorok FET = Field Effect Transistor A működési elv Keresztirányú elektromos erőtér vezérel!
Legfontosabb paraméter: U0 elzáródási feszültség FET - a működési elv Csatorna Legfontosabb paraméter: U0 elzáródási feszültség JFET = junction FET Többségi hordozós eszköz: unipoláris tranzisztor Vezérlő teljesítmény 0
MOSFET tranzisztorok - MOSFET = Metal-Oxide-Semiconductor FET Első alaptípus: kiürítéses (depletion mode) - Legfontosabb paraméter: U0 elzáródási feszültség Bulk
Legfontosabb paraméter: MOSFET tranzisztorok Második alaptípus: növekményes (enhancement mode) Ezt használjuk a leggyakrabban! + Legfontosabb paraméter: VT küszöbfeszültség Bulk
A FET tranzisztorok jelölése
A MOSFET tranzisztor elmélete 1. Felületi jelenségek Erős inverzió: UF = 2 F
A MOS struktúra potenciálviszonyai
A MOS struktúra potenciálviszonyai
A MOS tranzisztor küszöbfeszültsége
A MOS tranzisztor küszöbfeszültsége esetén
A MOS tranzisztor küszöbfeszültsége Flat-band potenciál: Bulk állandó:
A MOS tranzisztor küszöbfeszültsége
PÉLDA Egy MOS struktúra adatai: Na = 41015 /cm3, a Si relatív dielektromos állandója 11,8, az oxidé 3,9, az oxid vastagsága dox = 0,03 m, MS = 0,2 V, QSS-t elhanyagoljuk. Számítsuk ki a Fermi potenciált, az oxid kapacitást, a bulk állandót és a küszöb-feszültséget USB = 0 V mellett!
Az (ideális) Q-V görbe MOS szerkezeteken MOS kapacitás: oxidkapacitás és tértöltéskapacitás sorosan V U “MOM” kapacitás: töltések a fémfelületeken
A C-V görbe (a Q-V görbe deriváltja) és mérése: adalékolás, VT (Qss) adódik néhány Hz dox S S néhány Hz MHz MHz
A növekményes MOS tranzisztor karakterisztikája
A karakterisztika egyenlet levezetése U(0) = UGS , U(L) = UGD Qi(U) = Qi(U(x))
A karakterisztika egyenlet levezetése U(0) = UGS , U(L) = UGD
A karakterisztika egyenlet levezetése Minden működési tartományra!
Minden működési tartományra! A telítéses működés Telítés: UGD < VT vagy UGS-VT< UDS Minden működési tartományra!
Felvétel optikai mikroszkóppal Elektron-mikroszkópos felvétel Gyakorlati kivitel Felvétel optikai mikroszkóppal Elektron-mikroszkópos felvétel
A MOS tranzisztor Fém gate elektródás kivitel A korai MOS technika tranzisztora Problémák: gate átlapolás, VT , kevés vezeték sík
A MOS tranzisztor Önillesztő, poli-Si gate technika 1. Aktív zóna vékonyoxid 2. Bújtatott kont. ablaknyitás 3. Poli-Si felvitel, maszkol 4. Aktív zónát nyit, n+ diffúzió 5. Szigetelő bevonat (PSG) 6. Kontaktus ablakok 7. Fémezés Önillesztés ! CSAT = AKTÍV and POLI
Szubmikronos MOS struktúra A MOS tranzisztor Szubmikronos MOS struktúra Vázlatrajz és elektron-mikroszkóppal készült metszeti kép
PÉLDA Határozzuk meg a C0 = 1,110-3 F/m2 oxid kapacitású n-MOS tranzisztor áram állandóját! Az elektron mozgékonyságot 0,1 m2/Vs értékkel vegyük számításba!
PÉLDA Számítsuk ki, hogy mekkora az előbbi tranzisztor telítéses árama UGS = 5 V vezérlő feszültség mellett, ha VT = 1 V és a tranzisztor mérete W = 10 m, L = 0,8 m!
MOS tranzisztor, másodlagos jelenségek A csatornarövidülés
MOS tranzisztor, másodlagos jelenségek A küszöb alatti (sub-threshold) áram
MOS tranzisztor, másodlagos jelenségek A küszöbfeszültség függése a geometriától Rövid csatorna: VT csökken Keskeny csatorna: VT növekszik
A MOS tranzisztor kapacitásai Bulk
A MOS tranzisztor jellemzőinek hőmérséklet függése
Teljesítmény MOS tranzisztorok A DMOS (TMOS) szerkezet
Teljesítmény MOS tranzisztorok A VMOS szerkezet SiO2
A kiürítéses MOS tranzisztor Eltolt küszöbfeszültségű növekményes
A növekményes és kiürítéses MOS tranzisztorok, VT beállítása UGS ID VTp VTn VTp VTn Küszöbfeszültség eltolása: +Qss miatt VT negatív irányba tolódik, NA- ionok implantálása a csatornába: VT pozitív irányba tolódik.