Föreläsning 12 – Fälteffekttransistor II Tröskelspänning Beräkning av strömmen Storsignal, DC Kanallängdsmodulation Flatband-shift pMOSFET 2019-01-02 Föreläsning 12, Komponentfysik 2013

Komponentfysik - Kursöversikt Bipolära Transistorer pn-övergång: kapacitanser Minnen: Flash, DRAM Optokomponenter MOSFET: strömmar pn-övergång: strömmar MOSFET: laddningar pn-övergång: Inbyggd spänning och rymdladdningsområde Dopning: n-och p-typ material Laddningsbärare: Elektroner, hål och ferminivåer Halvledarfysik: bandstruktur och bandgap Ellära: elektriska fält, potentialer och strömmar 2019-01-02 Föreläsning 11, Komponentfysik 2013

Plattkondensator - Fälteffekt Metall Ugs=1V + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Ugs=0V Ugs=2V Ugs=3V P-typ halvledare Joniserade acceptoratomer (NA) Elektroner Hål 2019-01-02 Föreläsning 11, Komponentfysik 2013

Tröskelspänning – stark inversion Spänning över oxiden nyta=pp0=NA + - QN Spänning över halvledaren -qUth q2FF Laddning vid stark inversion: 2019-01-02 Föreläsning 11, Komponentfysik 2013

Metal-Oxid-Semiconductor Field Effect Transistor UGS = 0.2V UGS = 0.4V UGS = 1.0V Gate Source Drain Isolator – SiO2 P-typ semiconductor N++ N++ 2019-01-02 Föreläsning 11, Komponentfysik 2013

Föreläsning 11, Komponentfysik 2013 2 minuters övning +UDS Isolator – SiO2 N++ N++ y=0 y=L y En nMOSFET är biaserad i mättnadsområdet. Vilket värde har dIDS(y)/dy mellan y=0 och y=L? 2019-01-02 Föreläsning 11, Komponentfysik 2013

Fälteffekttransistor - nMOSFET - Geometri Oxid Z Stark Inversion – DX tjockt ledande lager vid ytan Gate Source Drain Kanal x y L Z IDS VDS DX QN(y) 2019-01-02 Föreläsning 11, Komponentfysik 2013

Beräknig av ström – nMOS: Lång kanal (Lg>1µm) UGS Oxid UDS UGS UDS Kanal y 0<Ucs (y)<UDS Lös med: 2019-01-02 Föreläsning 11, Komponentfysik 2013

Ström och kanal – linjära området UDS=UGS-Uth Ugs<Uth Ugs>Uth UDS>Uth+ Ugs 2019-01-02 Föreläsning 11, Komponentfysik 2013

Ström och kanal – mättnadsområdet UDS=UGS-Uth Pinch – off: IDS oberoende av UDS UDS>UGS-Uth UDS=UGS-Uth UDS<UGS-Uth 2019-01-02 Föreläsning 11, Komponentfysik 2013

2 minuters övning – negativa UDS IDS IDS B +UDS IDS UDS UDS + Vgs IDS IDS C D - Drain UDS UDS 2019-01-02 Föreläsning 11, Komponentfysik 2012

Föreläsning 11, Komponentfysik 2013 Ström – ideal nMOS UDS=UGS-Uth IG=0 UDS> UGS Linjära Mättnadsområdet Biaseras så att: UDS>UGS-Uth UGS > Uth Strypt (UGS< U TH) Linjära området Mättnadsområdet 2019-01-02 Föreläsning 11, Komponentfysik 2013

Föreläsning 11, Komponentfysik 2013 Exempel - nMOS UTH=1.0 V Cox’=3 mF/m2 µn=0.135 m2/Vs L=5 µm Z=50 µm Beräkna strömmen för UDS=0.5, 1, 2 & 3V om UGS=0V UDS=0.5, 1, 2 & 3V om UGS=2.5V Linjära området Mättnadsområdet 2019-01-02 Föreläsning 11, Komponentfysik 2013

Ström – icke ideal nMOS, kanallängdsmodulation Kanallängdsmodulation i mättnadsområdet Ger utgångskonduktans l typiskt 0.005-0.05 V-1 2019-01-02 Föreläsning 11, Komponentfysik 2013

Exempel – nMOS med utgångdkonduktans UTH=1.0 V Cox’=3 mF/m2 µn=0.135 m2/Vs L=5 µm Z=50 µm l=0.02 V-1 Beräkna strömmen för UDS=0.5, 1, 2 & 3V om UGS=0V UDS=0.5, 1, 2 & 3V om UGS=2.5V Linjära området Mättnadsområdet 2019-01-02 Föreläsning 11, Komponentfysik 2013

DC – Storsignalmodell, mättnadsområdet Ideal: IG gate drain IDS UDS > UGS-Uth + UGS Uds k∙(UGS-Uth)2 - Source Bara om: UGS > Uth UDS>UGS+Uth Icke Ideal: IG gate drain IDS + UGS Uds - IG = 0 Source (1+lUDS)∙k(UGS-Uth)2 2019-01-02 Föreläsning 11, Komponentfysik 2013

Föreläsning 11, Komponentfysik 2013 Flatband-shift ”Ideal” MOSFET ”Verklig” MOSFET EFsub EV EC Ei EFgate  EFsub EV EC Ei EFgate  EFsub EV EC Ei EFgate  2019-01-02 Föreläsning 11, Komponentfysik 2013

2 minuter övning. nMOSFET “inverterad” +UDS +USD IDS Skissa I-V om vi har biaserat en nMOSFET ”inverterad”! ISD UGS > 0 UGD > 0 IDS UDS Mättnad Linjärt “pinch-off” n-MOSFET ISD UGS ökar n-MOSFET USD 2019-01-02 Föreläsning 11, Komponentfysik 2013

Föreläsning 11, Komponentfysik 2013 PMOS UGS = - 1.0V UGS = - 0.2V UGS = - 0.4V UGS Gate Source Drain Isolator – SiO2 UDS=-1V N-typ semiconductor P++ P++ IDS = - 1 mA Attrahera hål vid ytan – slås på då UGS är negativ! Korrekt operation - UDS < 0V 2019-01-02 Föreläsning 11, Komponentfysik 2013

Föreläsning 11, Komponentfysik 2013 nMOS och pMOS +2.0 V nMOS: IDS positiv UDS positiv Strömmen flyter från drain till source pMOS: IDS negativ UDS negativ ISD positiv Strömmen flyter från source till drain +2.0 V -qUGS IDS ISD IDS UDS Mättnad Linjärt “pinch-off” p-MOSFET IDS UGS > 0 UGS < 0 IDS UDS Mättnad Linjärt “pinch-off” n-MOSFET UGS ökar UGS minskar 2019-01-02 Föreläsning 11, Komponentfysik 2013

Föreläsning 11, Komponentfysik 2013 Sammanfattning Z: MOSFETs bredd (m) IDS,sat : mättnadsströmmen efter pinchoff (A) l: kanallängsmodulationsfaktor (V-1) 2019-01-02 Föreläsning 11, Komponentfysik 2013