A térvezérelt tranzisztorok I.

Az előadások a következő témára: "A térvezérelt tranzisztorok I."— Előadás másolata:

1 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

2 A térvezérelt tranzisztorok
FET = Field Effect Transistor A működési elv Keresztirányú elektromos erőtér vezérel!

3 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

4 MOSFET tranzisztorok -
MOSFET = Metal-Oxide-Semiconductor FET Első alaptípus: kiürítéses (depletion mode) - Legfontosabb paraméter: U0 elzáródási feszültség Bulk

5 Legfontosabb paraméter:
MOSFET tranzisztorok Második alaptípus: növekményes (enhancement mode) Ezt használjuk a leggyakrabban! + Legfontosabb paraméter: VT küszöbfeszültség Bulk

6 A FET tranzisztorok jelölése

7 A MOSFET tranzisztor elmélete
1. Felületi jelenségek Erős inverzió: UF = 2 F

8 A MOS struktúra potenciálviszonyai

9 A MOS struktúra potenciálviszonyai

10 A MOS tranzisztor küszöbfeszültsége

11 A MOS tranzisztor küszöbfeszültsége
esetén

12 A MOS tranzisztor küszöbfeszültsége
Flat-band potenciál: Bulk állandó:

13 A MOS tranzisztor küszöbfeszültsége

14 PÉLDA Egy MOS struktúra adatai: Na = 41015 /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!

15 Az (ideális) Q-V görbe MOS szerkezeteken
MOS kapacitás: oxidkapacitás és tértöltéskapacitás sorosan V U “MOM” kapacitás: töltések a fémfelületeken

16 A C-V görbe (a Q-V görbe deriváltja) és mérése: adalékolás, VT (Qss) adódik
néhány Hz dox S S néhány Hz MHz MHz

17 A növekményes MOS tranzisztor karakterisztikája

18 A karakterisztika egyenlet levezetése
U(0) = UGS , U(L) = UGD Qi(U) = Qi(U(x))

19 A karakterisztika egyenlet levezetése
U(0) = UGS , U(L) = UGD

20 A karakterisztika egyenlet levezetése
Minden működési tartományra!

21 Minden működési tartományra!
A telítéses működés Telítés: UGD < VT vagy UGS-VT< UDS Minden működési tartományra!

22 Felvétel optikai mikroszkóppal Elektron-mikroszkópos felvétel
Gyakorlati kivitel Felvétel optikai mikroszkóppal Elektron-mikroszkópos felvétel

23 A MOS tranzisztor Fém gate elektródás kivitel
A korai MOS technika tranzisztora Problémák: gate átlapolás, VT , kevés vezeték sík

24 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

25 Szubmikronos MOS struktúra
A MOS tranzisztor Szubmikronos MOS struktúra Vázlatrajz és elektron-mikroszkóppal készült metszeti kép

26 PÉLDA Határozzuk meg a C0 = 1,110-3 F/m2 oxid kapacitású n-MOS tranzisztor áram állandóját! Az elektron mozgékonyságot 0,1 m2/Vs értékkel vegyük számításba!

27 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!

28 MOS tranzisztor, másodlagos jelenségek
A csatornarövidülés

29 MOS tranzisztor, másodlagos jelenségek
A küszöb alatti (sub-threshold) áram

30 MOS tranzisztor, másodlagos jelenségek
A küszöbfeszültség függése a geometriától Rövid csatorna: VT csökken Keskeny csatorna: VT növekszik

31 A MOS tranzisztor kapacitásai
Bulk

32 A MOS tranzisztor jellemzőinek hőmérséklet függése

33 Teljesítmény MOS tranzisztorok A DMOS (TMOS) szerkezet

34 Teljesítmény MOS tranzisztorok
A VMOS szerkezet SiO2

35 A kiürítéses MOS tranzisztor
Eltolt küszöbfeszültségű növekményes

36 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.

37