Föreläsning 13 – Fälteffekttransistor III

En presentation över ämnet: "Föreläsning 13 – Fälteffekttransistor III"— Presentationens avskrift:

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

2 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 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

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

4 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 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

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

6 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 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

7 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 Föreläsning 13, Komponentfysik 2011

8 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=? + + - - Föreläsning 13, Komponentfysik 2012

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

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

11 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 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

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

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

14 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 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

15 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 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

16 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 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

17 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! Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

18 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 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

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

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

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

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

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

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

25 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) Föreläsning 13, Komponentfysik 2013

26 Föreläsning 13, Komponentfysik 2013
Sammanfattning h21= ström-förstärkning (-) Föreläsning 13, Komponentfysik 2013