Tranzistor MOSFET. Struktury integrovaných systémů A2M34SIS. Struktury integrovaných systémů A2M34SIS. Tranzistory základní rozdělení

Transkript

1 NMO PMO NMO PMO Zabudovaný Indukovaný Obohacovaný Ochuzovaný N P P rukury inegrovaných sysémů AM34I rukury inegrovaných sysémů AM34I Přednášející: vičící: Jiří Jakovenko Vladimír Janíček Jan Novák udijní maeriály: MOOE hp://moodle.kme.fel.cvu.cz AM34I rukury inegrovaných sysémů Tranzisory základní rozdělení Unipolární ranzisory Tranzisor MOFET MOFET MEFET JFET N P N P MOFET meal ide field effec ransisor semiconducor MEFET Meal semiconducor field effec ransisor JFET juncion field effec ransisor rukura ranzisoru NMO rukura ranzisoru PMO Indukovaný Zabudovaný Indukovaný Zabudovaný ifúzní oblas source Polyi ae Oxid io ifúzní oblas drainu ifúzní oblas source Polyi ae Oxid io ifúzní oblas drainu N Kanál N N P Kanál P P ubsrá P ubsrá N

2 MO před spojením jednolivých čásí Pásová srukura: d KOV id P N A MO srukura bez napěí Q Q N Kov id p A d x d ac eu bi e ac e m e s e m e s e s p p0 p p p p n p =n i U bi = s m n n p po x Vznik inverzní vrsvy vodivého u MO srukura malé napěí na gae U < UT V V Kov Q id d x d Q p OPN e(u bi U ) eu e s ac e s h h h h h h ubsrá N h íry e m eu p p0 p p U U B Ochuzená oblas U bi = s m n po n p x V e(u bi U ) MO srukura malé napěí na gae U < UT vznik inverzní vrsvy kov ev Q id d x d e s Q e s p ac U e(u bi U ) MO srukura hluboká inverze Q p U s >U kov B id Q i Q d x d ac e s e s e m eu U B <U s <U B eu U bi = s m p p0 p p Inverzní vrsva e m eu Volný náboj p p0 p p n po n p n p n po

3 U U U U U3 U U U U U U3 U Vznik inversní vrsvy vodivého u nenulovým napěím U U U > U T U > U T OPN U U e e e e e e vodivý e elekrony e e e e e e Základní vzahy pro ransisor NMO Poly i Oxid 4 x ineární oblas V=.5 V aurační oblas V=.0 V I (A) 3 V = V V T ef V=.5 V V=.0 V e V (V) ineární oblas: (U > U, U < U U ) (Triode region) Kolekorový proud (rain urren): W U I n U U U aurační oblas: (U >U, U >U U ) (Acive region) Kolekorový proud (rain urren): W I n U U I ineární oblas U3 U U U I aurační oblas U U3 V V U U e e e e e e 0 x U U e e e e e Zaškrcení u 0 x n n p drain 3

4 Prahové napěí (Threshold volage): ineární oblas: (V > V, V < V V) (Triode region) Fermiho poenciál (Fermi level): V 0 V M 0 V FB F Q dep Prahové napěí body efek: 0 V V V F f B F f kt N A f ln q Ni Paramer prahového napěí (V parameer): q 0N r A Kapacia hradlového idu (Oxide capaciance): I r ds ineární oblas: Pro V << (V V0) (deep riode region) W n V W n V V V Model pro malé signály v lineární oblasi V Akivní oblas (V>V, V V V) (Acive region) Kolekorový proud (rain urren): I W n V V Proud I d s modulací délky u rain curren (wih channel lengh modulaion): I W n Transkondukance (Transconducance): W gm n V V V V V W I n I V V Akivní oblas (V>V, V V V) (Acive region) Paramer modulace délky u (hannel lengh modulaion parameer): V Výsupní odpor (Oupu resisiviy): ro I Akivní oblas (V>V, V V V) (Acive region) Mezní frekvence (Transiion frequency): gm ft ( ) Model pro malé signály v akivní oblasi (mallsignal model in acive region) ubsráová ranskondukance (Body (bulk) ransconducance): g m g s V B f g g s m (ypicky 0.0.3) 4

5 meal meal meal Kapaciy MO ranzisoru (MO evice apaciances) Kapaciy ranzisoru MO (MO evice apaciances) B d x P subsrá Inverzní vrsva Ochuzená vrsva B kapacia idu mezi hradlem a em W kapacia vyprázdněné vrvy mezi em a subsráem W q N /(4 ) r 0 A f, kapacia přesahu hradla do oblasi kolekoru a emioru B,B kapacia prechodu mezi oblasí kolekoru (emioru) a subsráem. Věšinou se rozděluje na kapaciu spodni srany j a boční kapaciu jsw (velikos se udává na jednoku plochy, délky). j0 j V m R / B B Wd x j ( W d x ) jsw B Jiří Jakovenko rukury inegrovaných sysémů Kaedra mikroelekroniky ČVUT FE B B B MO vypnuý ov W B MO v lineární oblasi a V << (V V0) W / W MO v sauraci W 3 eff W ov W W ov q =.60e 9 k =.38e 3 JK n i =.e 6 nosičů/m 3 a T=300 K ůležié konsany 0 = 8.854e F/m Oxid r = 3.9 Křemík r =.8 V charakerisika MOFETu rukura MO =dq /du Nízké f omplemenrary MO Pasivace Konakní Pad vysoké f Meal IM W Via akumulace náboje U U FB 0 T ochuzená vrsva x d V hluboká inverze x d ilicid P ource Poly ae N Jáma P rain Meal pacer N ource BP W Konak N rain P Jáma Epiaxní vrsva P Křemíkový ubsrá P Jiří Jakovenko rukury inegrovaných sysémů Kaedra mikroelekroniky ČVUT FE Tabulka režimů ranzisoru MO I I 0 W exp Podprahová oblas U < U V nk / q exp V nk / q W v Oblas saurace rychlosi U /(E ) >> sa V V U g m g ds I nkt / q ineární (nesaurační) oblas U >U, U < U sa W v sa λi aurační oblas U >U, U > U sa rukury inegrovaných sysémů AM34I I g m V V V V U βu V V U U U I Rozdělení inegrovaných obvodů Základní archiekury g ds λi 5

6 AI Aplikačně specifické inegrované obvody Plně zákaznické obvody Monoliické IO, věšinou analogové obvody Hradlová pole Monoliické IO složené z řad nebo sloupců ranzisorů. Programují se pomocí masek propojení andardní buňky Monoliické IO navržené pomocí knihovních buňek Programovaelné obvody Monoliické IO s vořené logickými buňkami a bloky, keré jsou zákaznicky programovány pomocí propojek Kriéria efekiviy: poče kusů, cena za kus, poče zákazníků Plně zákaznický návrh Návrh celé opologie všech vrsev Výborná flexibilia, limiováno pouze návrhovými pravidly Ruční návrh (někeré digiální bloky mohou bý auomaizovány) Návrhář nepoužívá předdefinované bloky z důvodu malé rychlosi, velké spořeby ad. Analogový i digiální návrh dohromady Vlasnosi louhý čas návrhu a echnologické realizace Velice efekivní využií plochy čipu evné pouze ve velikých sériích Příklady: Analogové obvody, up, paměi, převodníky, dekodéry. Plně zákaznický návrh Hradlové pole ae Array Inel 4004,300 Tranzisorů, 08 khz První počíač na jednom čipu sesrojen (Ted Hoff) pro kalkuláory Prefabrikované čipy efinované I/O obvody Jednoné pole ranzisorů propojovacích ů a propojek, zv. primiivní buňky Funkční zapojení je realizováno pomocí jedné nebo více vrsev mealizace Vlasnosi: Rychlá výroba evné ve sředních sériích Nevhodné pro realizaci RAM, PA, AU Realizace hradlových polí andardní buňky Návrh základní srukury Výroba masek základní srukury Technologická realizace Výrobce Návrh rozmísění a propojení Výroba masek a propojení Technologická realizace Zákazník ogický návrh a simulace elý výrobní proces: Předdefinované knihovny základních buňek (NAN, NOR, OpAmp, Převodníky ) Návrhář definuje umísění a vzájemné propojení Mohou bý digiální i analogové Vlasnosi: Velikos čipu limiuje funkčnos louhý výrobní čas evné ve velkých sériích efinována výška buňky snadné skládání epší funkčnos při nižší ploše v porovnání s hradlovými poli (:4) klad Tesování Funkční ověření 6

7 Řady buňek Propojovací buňka Topologie sandardních buňek Knihovní sandardní buňka Příklad sandardních buňek Propojovací Funkční modul (RAM, AU ) Propojovací y mohou bý redukovány věším počem vrsev mealizace. Nové generace sandardních buňek rukura buňek je schována pod vrsvami mealizace elý výrobní proces Kombinace semi a plně zákaznickým návrhem Předdefinované knihovny základních buňek Makrobuňky Vlasnosi: Velikos čipu limiuje funkčnos louhý výrobní čas Kráký čas návrhu evné ve velkých sériích Vysoká flexibilia Kompakní layou Foografie čipu s makrobuňkami Programovaelné logické obvody P rozměrné pole plně zákaznických obvodů Blok sandardních buňek Základem je univerzální logická srukura (maice AN propojená s maicí OR) ogická funkce je vyvořena promocí programovaelných propojek, jejichž přerušením se odpojí logické signály. Velice rychlý návrh a realizace Plně zákaznický blok PROM Programmable Read Only Memory PA Programmable Array ogic PA Programmable ogic Array FPA Field programmable ae Array 7

8 Obvody FPA Jak vybra správnou echnologii? FPA Pro naprogramování není nuná echnologická realizace Předdefinované logické bloky Vlasnosi: velikos: až logických hradel (např. Virex Xilinx) až 4 PowerP RI procesory na čipu Velké čipy (>300 mil. ranzisorů) Kráký návrhový a realizační čas evné pro malé série V porovnání s AI mají FPA menší frekvence hodin Peníze Rychlos (návrhu, obvodu ) Velikos a složios Rychlos realizace MEM Technologie Velmi malé rozměry idský vlas 80~00 µm MEM součáska Bílá krvinka 3 µm Červená krvinka 7,5 µm r. JB. ee,ee 7v8 Inroducion o MEM Technologie & Aplikace Aplikace MEM Mikrozrcáka Mikrofluidika Měření zrychlení Tlakové senzory Opické MEM Vysokofrekvenční MEM alší echnologie Ink je rysky ab on chip Akceleromery yroskopy MAP senzory Baromerické senzory TIP displeje P projekory pínání ívky s vysokým Q Frakálové anény R/W drive heads Mikromoory RF měření výkonu Elekronické manipuláory Hewle Packard eiko Epson elphi elco ensonor Vaisala ucas Novasensor TI, Norel, J Uniphase, ucen iemens MEMAP eagae 8

9 9