Ideální struktura MIS Metal-Insulator-Semiconductor M I S P. Ideální struktura MIS. Ideální struktura MIS. Ochuzení. Akumulace U = 0 U > 0 U < 0 U = 0

Transkript

1 truktura M Akuulace, ochuzeí, slabá a silá iverze rahové apětí, způsob vziku iverzí vrstv Kapacitor M, proud dielektrickou vrstvou razistor MOF truktura, pricip čiosti deálí VA charakteristika odporová a saturačí oblast Vliv krátkého kaálu Reálá VA charakteristika, průraz trazistoru MOF harakteristik jedotlivých tpů trazistorů MOF Klidový pracoví bod Model trazistoru MOF: a A pro alý sigál Model trazistoru MOF v, paraetr deálí struktura M Metal-sulator-eicoductor MO Metal-Oxide-eicoductor A Al M i i- M ideálí A výstupí práce z kovu a polovodiče se rovají Φ Φ s eá povrchové stav a áboj v dielektriku je ulový Q ef rové pás v polovodiči řez A pásový diagra bez apětí eφ eφ s eφ F M c Fs v A deálí struktura M ez apětí Akuulace deálí struktura M ez apětí Ochuzeí klesá eφ eφ s < arůstá p e i i F k eφ eφ s > p e i i F k c eφ F c Fs v e eφ s eφ F c Fs v eφ F c Fs v e eφ s Fs v M M M M - elektro dír kladé iot kovu ioizovaé akceptor

2 deálí struktura M ez apětí verze - jsou vtvoře podík pro vzik vrstv eφ eφ s opačé vodivosti >> klesá p e roste e i i i F k F i k c odíka vziku iverzí vrstv (ideálí M-p k N ϕs( iv. ϕ F l q kocetrace elektroů a povrchu je rova kocetraci děr v objeu a i c eφ F c Fs e eφ s Fs v rahové apětí Q ϕ F e eφ s eφ F Fs v v M M elektro idukce áboje v zahutí pásů o φ F M kladé iot kovu ioizovaé akceptor Q qn a w ( ε en aϕ F / ε ( ϕ iv en a / Reálá struktura M výstupí práce z kovu a polovodiče se rovají Φ Φ s existují povrchové stav a áboj v dielektriku Q ef zabudovaý poteciál φ s rahové apětí Φ M Q ef rozdíl výstupích prací kov-polovodič kopezace áboje Q ef Q ϕ idukce áboje v F pásový diagra bez apětí zahutí pásů o φ F iverzí vrstva ůže vzikout i při M eφ Q ef eφ s eφ s c Fs v Způsob vziku iverzí vrstv ežádoucí a geerace ioritích elektroů spojeá s extrakcí b geerací elektroů přes povrchové stav e M b a c Fs v vužívaé c geerace elektroů ozářeí ( d ijekcí elektroů z vějšího zdroje, apř. přechode N (MOF Δ ħω e M c d c Fs v

3 Kapacitor M je tvoře sériový spojeí kapacitorů tvořeých dielektrike ( a ( -V charakteristik ideálí struktur M silá akuulace ochuzeí silá iverze akuulace iverze kvazi-statická iverze kvazi-statická akuulace slabá iverze slabá akuulace i i ochuzeí vf vf ochuzeí F polovodič tpu polovodič tpu N dq d dq dϕ ε t ε s w iverzí vrstva - elektro iverzí vrstva - dír roud izolačí vrstvou log J růzé echaiz vedeí proudu průraz J Fowler-Nordheiovo tuelováí J A FN exp eφ M ~pa/c veli teké teké tlusté - Fowler-Nordheiovo tuelováí -příé tuelováí - chottkho eise - Frekel-oolova eise -přeskoková vodivost příé tuelováí J J V Φ chottkho eise 4 Φ exp αβ 3 V V Φ 3 / M V -MV/c V/ * e J A exp e Φ / k 4πε eφ M

4 MOF Metal Oxide eicoductor Field ffect rasistor io io MOF Metal Oxide eicoductor Field ffect rasistor io io N kaál N N kaál N kaál N N kaál RÁ RÁ N RÁ RÁ N kaál N kaál idukovaý zabudovaý idukovaý zabudovaý kaál N kaál idukovaý zabudovaý idukovaý zabudovaý začeí vcházející z polarit substrátu N začeí vcházející ze sěru toku proudu 96 J.. iliefeld patetuje pricip pole řízeého trazistoru razistor MOF N-kaálový kovový kotakt ource ( ate kovový kotakt rai ( 99 awo Kahg a M. M. Attala kostruují prví pole řízeý trazistor izolace ource kaál rai hradlový id elektro eergetická bariéra dír

5 razistor MOF N-kaálový MOF posledí techologické uzl kovový kotakt ource ( >> ate kovový kotakt rai ( izolace ource kaál rai hradlový id elektro dír X x MOF pricip čiosti < V io RÁ N N R MO kapacitor je doplě oblasti opačého tpu vodivosti (ource/rai fce ijektoru/extraktoru Vzikají dvě atisériově zapojeé substrátové diod, které usí být evodivé. X x MOF pricip čiosti < V io RÁ N N R ro < eergetická bariéra bráí průchodu elektroů z do. řez X (ev OR V - A V RAN 3 x (μ R V ubstrát usí být a ejižší poteciálu substrátových diod a kaálu izolují aktiví oblast MOFu (kaál od okolí. N N řez X (ev OR V - A V x (μ R RAN 3 V Závěrě polarizovaý přechod substrát kolektor (drai je schope odsávat iorití ositele (elektro. ro < proud eprochází o uožňuje ejvšší hustotu itegrace.

6 MOF pricip čiosti > MOF pricip čiosti X x řez X > io RÁ N N OR V A - N N x (μ R RAN R 3 V > říčé elektrické pole způsobí ohb pásů pod hradle eergetická bariéra již ebráí průchodu elektroů z do. verzí vrstva (vziklá v substrátu tvořeá elektro ze ijekovaýi z eitoru (source N vodivě propojí eitor a kolektor. ro > proud prochází > X x řez X > io RÁ N N OR V A - N N x (μ R RAN R 3 V > razistorový jev : apětí ovládáe proud razistor se chová jako řízeý odpor resp. zdroj proudu. (trasistor trasiet resistor Mezi hradle (ate a kaále je dielektriku (io do vstupu téěř eteče proud! velký vstupí odpor (~MΩ > > razistor je říze apětí (pole. razistor MOF s kaále N Kov (hradlo ε o ε r /t ate t kapacita Oxid (io ource rchlost dt d(x dt áboj dq rai délka kaálu šířka kaálu - kapacita idu a jedotku ploch ε peritivita vakua ε r relativí peritivita idu t tloušťka idu dq dt dq dt d(x (x dq dt v ( [ ( x ] x ( x d μ ( x μ

7 dq ( [ ( x ] v ( x μ μ μ dq dt dq dt [ ( x ] [ ( x ] dt ( x d d x ( [ ( x ] d( x μ μ d ( x Odporový (triodový reži - >> ource kaál rai μ μ μ [ ( x ] ( d ( proud podél kaálu usí být kostatí μ μ ( ( trazistor se chová jako apětí řízeý odpor - Zaškrceí kaálu - ( MOF vliv podélého elektrického pole ource kaál rai N N N N N N dq μ ( [ ( x ] - μ ( ( trazistor se chová jako zdroj proudu řízeý apětí dq kaál se zaškrtí a proud trazistore se saturuje veškerý úbtek apětí ad sat - je a a epřispívá k árůstu 3 4 V,,V V, V V, 3,V odporová oblast 3 4 odulace kaálu apětí 3 4 zaškrceí kaálu saturace proudu

8 MOF výstupí voltapérová charakteristika (dlouhý kaál odporový reži saturace (lieárí, triodový MOF statický odel pice evel (chicha-hodges Odporový reži μ μ aturace ( ( - odporový reži ARAMRY MO μ pohblivost elektroů délka kaálu šířka kaálu kapacita idu a jedotku ploch - saturace -!!! euvažuje se zkráceí délk kaálu s ε ε r /t ε peritivita vakua ε r relativí peritivita idu t tloušťka idu MOF výstupí voltapérová charakteristika (krátký kaál Vliv odulace délk kaálu - odporový reži (lieárí, triodový - - saturace. ource kaál sat - -Δ Δ rai - sat.... μ μ Δ ( μ ( Δ ( ( ( λ μ Δ / Δ λ λ A A Δ << arlho apětí ro kost. r o λ μ ( λ A

9 MOF statický odel pice evel (uvážeí zkráceí r o MOF ožosti průrazu Výstupí ro λ μ ( A sěrice /r průraz dielektrika dík alé vstupí kapacitě stačí k průrazu elektrostatický áboj μ ( A arlho apětí - A -/λ ro oblast saturace platí μ ( ( λ r λ koeficiet odulace délk kaálu [A] Vstupí laviový průraz kolektorového ( přechodu ůže být zvýrazě parazití NN strukturou uch-hrough záik kaálu ef se dotke eitoru (source - MOF idukovaý kaál w (A 3 NKOVANÝ KANÁ N V 4V 3V V 4 V 6 MOF zabudovaý kaál (při výrobě w (A 3 ZAOVANÝ KANÁ N 4 6 V V V -V -V -3V > Norall ON < w (A (A NKOVANÝ KANÁ N V V 4 6 V MOF - kaál N V 4V 3V (A 3 w -V -3V 4 6 ZAOVANÝ KANÁ N V V V -V řevodí charakteristika f ( kost. ( μ -R

10 MOF - kaál -V -V -3V -4V a -V V V V V -V -V b (A (A w N R R (A V 4 w N c 37 MOF V-A charakteristika vliv teplot μ pohblivost klesá s teplotou - doiatí μ (c V - s - (K ( ( λ 4 3 prahové apětí vlive poklesu φ se sižuje s teplotou řevodí charakteristika f( o -4 o o μ MOF ezí paraetr Výstupí MOF katalogový list ax tot Maxiálí apětí rai-ource Maxiálí hodota trvale Maxiálí hodota pulzě Maxiálí apětí ate-ource [A] Vstupí ax ax ax rai-ource Voltage Maxiu otiuous rai urret M ulsed rai urret ax ate-ource Voltage Maxiu tot ower issipiatio rai-ource reakdow Voltage Maxiálí ztrátový výko růrazé apětí rai-ource rahové apětí tatický odpor - v seputé stavu trost Vstupí kapacita píací/vpíací zpožděí

11 Volba poloh klidového pracovího bodu Oezeí: Výstupí Volba poloh klidového pracovího bodu Oezeí: Výstupí. ezíi paraetr ax tot. ezíi paraetr. eliearitai charakteristik ax tot [A] [A] Vstupí ax ax ax rai-ource Voltage Maxiu otiuous rai urret M ulsed rai urret ax ate-ource Voltage Maxiu tot ower issipiatio rai-ource reakdow Voltage Vstupí ax ax ax rai-ource Voltage Maxiu otiuous rai urret M ulsed rai urret ax ate-ource Voltage Maxiu tot ower issipiatio rai-ource reakdow Voltage Volba poloh klidového pracovího bodu pozor a průraz <ax R Většiou dáo použitý zdroje > fixí, dle volí trazistor s odpovídající ax R oezuje polohu ve výstupí charakteristice, ovlivňuje zisk a oezuje ax Miiiálí hodota R je dáa axiálí ztrátový výkoe trazistoru. Zdroj dodává ax. výko do zátěže (Fu je-li / ax > * / * /(*R R i > 4 ax ax R < R < R 3 R 3 R R 3 / tot ax řevodí charakteristika ivertoru MOF seputo ( ON spíače R /R závislost f( v zapojeí společý ource ( < A F A oblast volb pro zesilovač rozeputo ( OFF spíače - - strost lieárí části je úěrá apěťovéu zisku A u ~ - g R F

12 Volba poloh ax Způsob astaveí poloh tot R R R /Δ R s ( - /R ( ax rozptl paraetrů rozptl paraetrů Optiálí poloha pro třídu A b ěla garatovat axiálí rozkit pracovího bodu v lieárí části převodí charakteristik / /R ( o volit uprostřed její lieárí části volba / eusí být ideálí! /3 /3 kost říklad: Nalezěte hodotu apětí trazistoru NMO, jehož paraetr jsou defiová přiložeou výstupí VA charakteristikou. Řešeí: V. opsat obvod ve shodě s charakteristikou R 8k R k V R 68? 3.6 R 8k R k R

13 Řešeí: V. opsat obvod ve shodě s charakteristikou. estavit obvodové rovice R 8k R 68 R ( R R ( R k Úpravou ( - /R ( zatěžovací charakteristika zdroje R (R /(R R ((3 ezatížeý apěťový dělič R R V (/(8 3.7V R ( MOF jako zesilovač alého sigálu převodí charakteristika f( pro okolí lze považovat za lieárí u MOFu platí pokud <<( - Δi Řešeí: R 8k R k V R 68 ( - /R ( vést graf ( racoví bod trazistoru je dá průsečíke grafu rovice ( s vrstevicí výstupí charakteristik pro 3.V. [,, ] [3.V, 9.7V,7.A]. opsat obvod ve shodě s charakteristikou. estavit obvodové rovice 3. rafické řešeí 3.7V 7.A /R MOF jako odporový dvojbra vbrat ejbližší vrstevici charakteristik pro v charakteristice V (, (, popsá dvojicí elieárích časově eproěých rovic h h t [s] t [s] - R d Δi F > řídící veliči jsou apětí (, (,

14 iearizace charakteristik pro okolí (, (, Δi Δi Δi Δi iearizace charakteristik pro okolí Δi Δi NO pro zě veliči Δi Δi g r o Δi, Δi MOF Δi g Δi /r ifereciálí strost g g g Δi 3.7A - 3.A g 3.4V - 3.V g. rozěr [A/V] resp. [] tpické hodot A/V A/V taovit lze z poěru diferecí Δi ku Δi Δi g u u Δi r o u -u ifereciálí výstupí odpor r r / Δi 4V - V r 8A - 7A r r / 4 kω rozěr [Ω] tpické hodot kω kω taovit lze z poěru diferecí ku Δi Δi Δi g Δi r o

15 MOF jako odporový dvojbra popsá dvojicí elieárích časově eproěých rovic h h (, (, dvojbra blok s dvojicí vstupích a výstupích svorek charakterizovaý vztah ezi obvodovýi veličiai,,, F > řídící veliči jsou apětí (, (, iearizace charakteristik pro okolí (, (, Δi Δi Δi Δi iearizace charakteristik pro okolí Δi Δi NO pro zě veliči Δi Δi g r o Δi, Δi MOF Δi g Δi /r ifereciálí strost g g g Δi 3.7A - 3.A g 3.4V - 3.V g. rozěr [A/V] resp. [] tpické hodot A/V A/V taovit lze z poěru diferecí Δi ku Δi Δi g u u Δi r o u -u 3. 3.

16 ifereciálí strost g (traskoduktace g g μ g μ g ( / všší hodot - oezují rozkit výstupího sigálu (rozšířeí odporové oblasti ožost ovládáí g při ávrhu trazistoru vztah platí pro oblast saturace!!! pro daý MOF strost roste s odociou kolektorového proudu pro daý proud je strost úěrá / MOF úplý vsokofrekvečí odel uvažuje řadu parazitích kapacit a vliv odulace kaálu zpětý hradle (od ffect, backgatig ifereciálí výstupí odpor r r / Δi 4V - V r 8A - 7A r r / 4 kω rozěr [Ω] tpické hodot kω kω taovit lze z poěru diferecí ku Δi Δi odporová (triodová oblast saturace evodivý stav gs gd 3 Δi Kapacit trazistoru MOF g Δi gs gd gb gs gd r o dále je uté uvážit parazití kapacit způsobeé přesahe oblastí eitoru a kolektoru pod hradlo tpick ov.. ov ov takto vpočteé hodot je třeba přičíst k gs ad gd

17 MOF zjedodušeý vf odel pro substrát ( spojeý s eitore ( pro substrát ( spojeý s eitore ( zaedbaá kapacita db MOF ezí kitočet Mezí kitočet f je defiová jako frekvece při íž je proudový zisk i out /i i rove jedé. f i i jω i g out g π gs gs u gs u gs ři ff tak platí i i out i gs zaedbá vliv gd gu π f gs gs u gs i out f μ ( π i i