Föreläsning 13 – Fälteffekttransistor III pMOS Småsignal FET AC, ft MOS-Kondensator 2019-05-11 Föreläsning 13, 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 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

Föreläsning 13, Komponentfysik 2013 Ström - nMOS UGS - Uth UDS = IDS IDS “pinch-off” Linjära Mättnad UGS > UDS-UTH UTH UDS UGS Linjära området Mättnadsområdet 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

Föreläsning 13, Komponentfysik 2013 PMOS UGS = - 0.2V UGS = - 0.4V UGS = - 1.0V Gate Source Drain Isolator – SiO2 N-typ halvledare P++ P++ Attrahera hål vid ytan – slås på då UGS är negativ! Korrekt operation – Hål från source-drain UDS < 0V 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

Föreläsning 13, Komponentfysik 2013 PMOS - Banddiagram -qUGS -qUth -qUGS + — EFsub EV EC Ei EFgate  Uth 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

Föreläsning 13, Komponentfysik 2013 PMOS – Ström-Spänning Linjära området -qUGS IDS UDS Mättnad Linjärt “pinch-off” p-MOSFET Mättnadsområdet IDS UDS Mättnad Linjärt “pinch-off” n-MOSFET 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

Föreläsning 13, Komponentfysik 2011 nMOS och pMOS +2.0 V +2.0 V IDS UGS < 0 IDS UDS Mättnad Linjärt “pinch-off” p-MOSFET UGS > 0 IDS IDS UDS Mättnad Linjärt “pinch-off” n-MOSFET UGS ökar UGS minskar 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2011

Föreläsning 13, Komponentfysik 2012 2 minuters övning - CMOS Udd=1V nMOS: Uth=0.5V pMOS: Uth=-0.5V Hur stor är Id? Vilket värde har Uout? Id Uin=1V Uout=? + + - - 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2012

Föreläsning 13, Komponentfysik 2012 Småsignalmodell - DC Taylorutveckling: DC bias Transkonduktans: Utgångskonduktans: Småsignal ig gate drain ids Småsignalströmar: + ugs gm∙ugs ro uds - Source 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2012

Föreläsning 13, Komponentfysik 2012 Småsignalmodell - DC Linjära området Mättnadsområdet ig gate drain ids + ugs gm∙ugs ro - Source 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2012

Föreläsning 13, Komponentfysik 2013 Transkonduktans Hög transkonduktans: Tunnare oxid Kortare gate-längd + mindre transistor Större Z – tar större plats Högre µn Högre eox Så tunna oxider som möjligt Så korta gate:ar som möjligt Låg bredd – liten yta! Stressors, III-V (?) SiO2: 3.9 HfSiOx: 20 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

Transistorskalning – L ~ 22 nm <<< 1 µm! Gate-Längd µn ?? er 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

Småsignalmodell AC – kapacitanser i mättnadsmod UGS Isolator – SiO2 CGS CGD P-typ halvledare N++ N++ 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

Småsignalmodell i mättnadsområdet : AC Småsingal - DC Småsingal - AC CGD G D G D gmUGS r0 CGS gmUGS r0 S S S S AC - Förenklad G D CGS gmUGS r0 S S 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

2 minuters övning – småsignal med resistanser Småsingal - AC Hur ser småsignal-modellen ut för en FET med serie-resistanser? Var sitter spänningen som styr strömkällan? CGD G D CGS gmUGS r0 S S Rs RD RG G D ? S S 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

Frekvensegenskaper – lång gate D CGS gmUGS rds S S Högsta frekvens (f=ft) där transistorn har strömförstärkning: |h21|=1 Nodanalys med KCL L > 1 µm 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

Transistorer på nanoskala - drifthastighet Elektronhastighet vd L = 32 nm Elektriskt fält E ≈ Uds/L Nano-FET: UDS/L > Ec – elektronerna rör sig med mättnadshastighet! Mättnadområdet: gm ökar inte med L! 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

Transistorer på nanoskala – transkonduktans & ft L = 32 nm vs = 1.0×106 m/s G D CGS gmUGS rds Kortare gate-längd: Högre ft! S S 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

Transistorer på nanoskala – transkonduktans & ft Exempel. Beräkna ft för en Si-transistor med Lg=1µm, och Lg=100 nm. µn = 0.145 m/Vs vs=106m/s Ft exp ~ 5 GHz Ft, exp ~ 250 GHz. 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

MOS-kondensator (MOSCAP) UGS tox Isolator – SiO2 P-typ halvledare Kapacitans (F m-2) Spänning (V) UGS 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

MOS-kondensator (MOSCAP) UGS tox Isolator – SiO2 P-typ halvledare Kapacitans (F m-2) Spänning (V) UGS 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

MOS-kondensator (MOSCAP) UGS tox Isolator – SiO2 dp P-typ halvledare Kapacitans (F m-2) Spänning (V) UGS 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

MOS-kondensator (MOSCAP) UGS tox Isolator – SiO2 dp P-typ halvledare Kapacitans (F m-2) Spänning (V) UGS 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

MOS-kondensator (MOSCAP) UGS tox Isolator – SiO2 dp P-typ halvledare Kapacitans (F m-2) Spänning (V) UGS 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

MOS-kondensator (MOSCAP) UGS låga f f ~ 1Hz tox Isolator – SiO2 dp P-typ halvledare Kapacitans (F m-2) Höga f f > 1 MHz Spänning (V) UGS En MOS-kondensator fungerar som en varaktor: C(V) 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

Föreläsning 13, Komponentfysik 2013 Sammanfattning h21= ström-förstärkning (-) 2019-05-11 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013