MOSFET. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Julius Edgar Lilienfeld, U.S. Patent 1,745,175 (1930)

Transkript

1 MOFET Metal Oxide emiconductor Field Effect Transistor Julius Edgar Lilienfeld, U.. Patent 1,745,175 (193)

2 MOFET Metal Oxide emiconductor Field Effect Transistor 196 ovládnutí povrchových stavů:. Kahng, J. M. Atalla (Bell Labs.)

3 Tranzistor integrovaný obvod bipolární tranzistor i 1958: Texas Instruments Jack Kilby

4 Tranzistor integrovaný obvod bipolární tranzistor i 1958: Texas Instruments Jack Kilby Jean Hoerni 1958: planární tranzistor Robert Noyce i 1959: Fairchild - první planární integrovaný obvod (i BJT)

5 MOFET 1962: RCA, Fairchild - první MOFET RCA: 16-tranzistorový MOFET I 1964: CMO - RCA

6 Tranzistor bipolární nebo unipolární? 197: Intel - výroba 1kbit ynamic RAM Intel 113 1K-bit RAM i

7 Tranzistory unipolární Tranzistorů na čipu Frekvence MHz 1 1M 1M 486 Pentium P2 P4 strained silicon 1M k 888 1k k

8 IBM MOFET INTEL AM Budoucnost

9 MOFET Budoucnost?

10 MOFET Metal Oxide emiconductor FET Metal Oxide (io 2 ) emiconductor

11 MOFET io 2 io 2 N + kanál N N + P + kanál P P + UBTRÁT P B UBTRÁT N B a) b) c) d) B B B B kanál N kanál P indukovaný zabudovaný indukovaný zabudovaný

12 y x MO kapacitor princip činnosti a) AKUMULACE ĚR -5V io Náboj se hromadí u kladné elektrody, kterou je polovodič akumulace děr. UBTRÁT P W (ev) n (m -3 ) Řez substrátem ve směru y p (m -3 ) y (µm) W C W F W V El. pole ve směru y způsobí ohyb pásů nahoru akumulace děr na povrchu y (µm).3.4

13 y MO kapacitor princip činnosti b) VZNIK INVERZNÍ VRTVY x +5V io U 1 < U Th Majoritní díry odpuzeny od povrchu. W (ev) n (m -3 ) UBTRÁT P - - Řez substrátem ve směru y +5V y (µm) - +5V U T U T p (m -3 ) y (µm) W C W F W V Na jejich místě zbydou záporné nepohyblivé ionizované akceptory vznikne OPN. Kladný náboj na hradle je kompenzován záporným nábojem ioniz. akceptorů OPN io 2 Elektrické pole působí ohyb pásů dolů.

14 y MO kapacitor princip činnosti b) VZNIK INVERZNÍ VRTVY x +5V io U 1 < U 2 < U Th zvýšíme U na U 2 Kladný náboj na hradle vzroste. n (m -3 ) UBTRÁT P Řez substrátem ve směru y +5V +5V U T U T p (m -3 ) y (µm) W C K jeho kompenzaci je potřeba více záporného náboje OPN se rozšíří io 2 OPN W (ev) W F W V y (µm).3.4

15 y MO kapacitor princip činnosti b) VZNIK INVERZNÍ VRTVY x +5V io U =U Th zvýšíme U na U Th Kladný náboj na hradle vzroste. W (ev) n (m -3 ) UBTRÁT P - - Řez substrátem ve směru y +5V y (µm) - +5V U T U T p (m -3 ) y (µm) W C W F W V K jeho kompenzaci již náboj OPN nestačí na povrchu se objeví volné elektrony OPN KANÁL N io 2 Vzniká kanál vodivosti typu N. -

16 y UBTRÁT P MO kapacitor princip činnosti b) VZNIK INVERZNÍ VRTVY x +5V U =U Th io io 2 W (ev) n (m -3 ) Řez substrátem ve směru y +5V y (µm) - +5V U T U T p (m -3 ) y (µm) W C W F W V KANÁL N OPN Kanál N tvořený inverzní vrstvou vzniká při přiložení prahového napětí U Th. Při přiložení prahového napětí U Th je n(y=) = p(y=substrát).

17 y X x = V io 2 N + N + UBTRÁT P MOFET princip činnosti +5V R K MO kapacitoru přidáme ource a rain. Vzniklé substrátové diody musí být nevodivé. Řez X W (ev) 1 OURCE V ATE V RAIN +5V x (µm) a) R +5V I = W C W V ubstrát musí být na nejnižším potenciálu! OPN substrátových diod a kanálu izolují aktivní oblast MOFETu od okolí. P N + N + OPN NEJVYŠŠÍ HUTOTA INTERACE

18 N + N + P OPN LOCO (LOcal Oxidation of ilicon) Bird s beak

19 y X x UBTRÁT P = V io 2 MOFET princip činnosti N + N + +5V R <U th Energetická bariéra brání průchodu elektronů z do. Řez X W (ev) 1 OURCE V ATE V RAIN +5V x (µm) W C W V I = a) +5V R I =

20 MOFET princip činnosti y x X 1 UBTRÁT P = 5V > U T io 2 N + N + OURCE V - ATE 5V +5V R RAIN +5V >U th Příčné elektrické pole způsobí ohyb pásů pod hradlem energetická bariéra již nebrání průchodu elektronů z do. -1 C W (ev) x (µm) W C W V Vzniklá inverzní vrstva tvořená elektrony ze ource (N + ) vodivě propojí ource a rain. b) > U T +5V R I > I >

21 MOFET princip činnosti y x X = 5V > U T io 2 +5V R N + N + UBTRÁT P Tranzistorový jev: Napětím ovládáme proud I. C W (ev) 1 OURCE V ATE 5V RAIN +5V x (µm) b) > U T R +5V W C W V I > ate je tvořen dielektrikem (io 2 ) do vstupu neteče proud! velký vstupní odpor (~MΩ) Tradiční výhoda unipolárních tranzistorů.

22 MOFET vliv podélného elektrického pole Podélné el. pole dané U působí lokálně proti příčnému el. poli snížení konc. elektronů v inverzní vrstvě tenší kanál u rainu. K zaškrcení dojde proto, že v místě zaškrcení je U T =. N + N + N + N + N + N + P OPN P OPN OPN I = 5V, U =,1V = 5V, U = 1V = 5V, U = 3,5V I I a) b) c) U U U Při zaškrcení kanálu platí U = U sat = -U T MOFET vstupuje do ATURACE.

23 MOFET vliv podélného elektrického pole N + N + N + N + N + N + P OPN P OPN OPN I = 5V, U =,1V = 5V, U = 1V = 5V, U = 3,5V I I a) b) c) U U U Výsledkem jsou výstupní charakteristiky jako u JFETu.

24 MOFET charakteristiky Výstupní charakteristiky 3 U sat = - U T 5V 3 Převodní charakteristika U = 5V I (ma) 2 1 odporový režim saturace 4V 3V I (ma) 2 1 2V 1V a) U b) U T Volné elektrony v kanálu představují pohyblivý náboj U = V: Q = C ox. ( -U T ) C ox = ε ox /t ox (F/m 2 ) Je-li U >, pak působí lokálně proti. U > V: Q = C ox. ( -U T -U )

25 MOFET charakteristiky Výstupní charakteristiky 3 U sat = - U T 5V 3 Převodní charakteristika U = 5V N + N + I (ma) 2 1 4V 3V I (ma) 2 1 2V 1V a) U b) U T OPN Je-li U >, pak působí lokálně proti. U > V: Q = C ox. ( -U T -U ) V místě zaškrcení při U =U sat ( na vstupu do saturace ) platí Q = : = Q = C ox. ( -U T -U ) U sat = -U T =

26 MOFET prahové napětí U T Výstupní charakteristiky 3 U sat = - U T 5V 3 Převodní charakteristika U = 5V I (ma) 2 1 4V 3V I (ma) 2 1 2V 1V a) U b) U T Prahové napětí je takové napětí, při kterém protéká malý definovaný proud I. Malosignálový MOFET: I = 1 µa Výkonový MOFET: I = 1 ma dobře měřitelné iskrétní MOFET: jednotky V Výkonový MOFET: 3V < U T <1V V integrovaném obvodu: 1V a méně (U T <U ) desetiny V

27 MOFET převodní charakteristika 3 U = 5V I (ma) 2 1 wµ C b) U T Pro odporový režim: [ ( ) ] 2 2 U UT U U, kde < U U sat n ox I = < w 2L Pro režim saturace: dosazením U = U sat = U T L I wµ C 2L [ ] 2 U UT kde U U sat n ox =,

28 wµ C MOFET převodní charakteristika Pro odporový režim: [ ( ) ] 2 2 U UT U U, kde < U U sat n ox I = < 2L w trmost: y 21s di w = = µ n du L C ox U L I wµ C 2L Pro režim saturace: [ ] 2 U UT kde U U sat n ox =, odpor řízený napětím di du trmost: n ox y21s = = µ n Cox ( U UT ) = 2 I w L w µ C trmost závisí na geometrii struktury specifikum MOFETu! 2L

29 MOFET převodní charakteristika w trmost: y 21s di w = = µ n du L C ox U L di du trmost: n ox y21s = = µ n Cox ( U UT ) = 2 I w L L délka kanálu MOFETu w šířka kanálu MOFETu ROK L(nm) Tr/cm 2 24M 4M 64M 1M 16M MHz P cons. (W) IA Technology Roadmap w µ C 2L

30 MOFET indukovaný kanál w 3 INUKOVANÝ KANÁL N 5V L I (ma) 2 1 4V 3V w L 2V 1V U T MOFET zabudovaný kanál (při výrobě) I (ma) ZABUOVANÝ KANÁL N V +1V V -1V -2V -3V Normally ON U T

31 w MOFET - kanál N w L L 3 INUKOVANÝ KANÁL N 5V 3 ZABUOVANÝ KANÁL N +2V I (ma) 2 1 4V 3V I (ma) V V -1V 2V 1V U b) -2V -3V U 6 io 2 KANÁL UBTRÁT I (ma) U = 5V n (m -3 ) U = 2V = 2V = V = -2V 1 U T U T d) y (µm)

32 w MOFET - kanál P w -1V -2V b) -3V -4V L a) -5V U +3V +2V +1V V -1V -2V U I (ma) I (ma) U R U R +U I +U I I (ma) -1 L U T U T U = -5V c)

33 I (ma) ZABUOVANÝ KANÁL N R +U N P MOFET jako zesilovač R +2V +1V V -1V -2V -3V R +U N R a) b) c) b) +3V +2V +1V V -1V -2V P U +U P R -1-2 I (ma) Nastavení pracovního bodu pro =

34 NLO shodné jako u JFETu A u = y 21s R MOFET jako zesilovač // 1 y 22 s R +U R N C v C v V = 1M V = b) Invertor () R z

35 I (ma) R ZABUOVANÝ KANÁL N a) +U R R MOFET jako zesilovač P +2V +1V V -1V -2V -3V R b) b) +3V +2V +1V V -1V -2V P U +U R R -1-2 I (ma) Nastavení pracovního bodu pro >

36 I (ma) R 1 R V = ZABUOVANÝ KANÁL N c) P MOFET jako zesilovač +U R V = R 2 R 1 +2V +1V V -1V -2V -3V (U -1V) = d) b) +U R +3V +2V +1V V -1V -2V +U = P U -1-2 I (ma) o gate neteče proud nutno použít dělič napětí R 1 -R 2 Nastavení pracovního bodu pro >

37 MOFET jako spínač NMO technologie NMO technologie: aktivní působení MOFETu pouze při přechodu výstupu z H( 5V) do L( V). +5V U IN H R L t (ns) U OUT U OUT H U IN C par L R C par t (ns) Parazitní kapacita následujícího vstupu C par se při přechodu výstupu z L( V) do H( 5V) nabíjí přes velký R pomalu omezení f max.

38 Complemetary MOFET - CMO CMO technologie: PMO tranzistor působí aktivně při přechodu výstupu z H( 5V) do L( V) a naopak (NMO). +U PMO vstup NMO výstup B B N + P + P + N + N + P + vstup PMO +U B výstup JÁMA P B NMO UBTRÁT N INVERTOR CMO a) b)

39 Complemetary MOFET - CMO V ŘEZU LAYOUT +U PMO vstup NMO výstup B B N + P + P + N + N + P + JÁMA P UBTRÁT N PMO vstup NMO +U B výstup B INVERTOR

40 OBĚR PŘEVONÍ U VYT I (ma) Complemetary MOFET - CMO U VT U Tn U - U Tp U VT INVERTOR OBĚR PROUU POUZE PŘI PŘEKLÁPĚNÍ VÝTUPU!!! NÍZKÁ POTŘEBA ZEÍLENÍ A u = du VYT / du VT (-) U VT

41 Číslicové obvody APLIKACE CMO

42 APLIKACE CMO: AP (Active Pixel ensor) Číslicové obvody + matice fotodiod (kamera) Pixel V V ResetN T1 T2 Column RowN T3 I bias

43 VÝKONOVÝ MOFET (diskrétní) Vysokého průrazného napětí U BR (až 8V) se dosáhne umístěním drainu na opačnou stranu i destičky. a) MO ource io 2 ate ource jáma P N + N + jáma P N UBTRÁT N + rain

44 VÝKONOVÝ MOFET (diskrétní) Vysoké mezní hodnoty I MAX (až 25 A) při zachování malé hodnoty R ON se dosáhne paralelním spojením 1 4 až 1 6 buněk.

45 VÝKONOVÝ MOFET (diskrétní) Vysoké mezní hodnoty I MAX (až 25 A) při zachování malé hodnoty R ON se dosáhne paralelním spojením 1 4 až 1 6 buněk. ůsledek: vysoká vstupní kapacita jednotky nf!!! MO musíme spínat z tvrdého zdroje napětí nebo proudu.

46 VÝKONOVÝ MOFET (diskrétní) ůsledek: vysoká vstupní kapacita jednotky nf!!! MO musíme spínat z tvrdého zdroje napětí nebo proudu. +U +U +U CC +U zátěž zátěž N a) b)

47 VÝKONOVÝ MOFET (diskrétní) a) = V b) U T +1V io 2 io 2 +U C ox P P C ox P OPN N + C OPN N + P OPN N + N + C R N N +U +U C se při spínání projevuje jako Millerova kapacita (E). Parazitní kapacita C se při indukci kanálu zvětší o řád!!! velká časová prodleva při spínání daná nabíjením C MO musíme spínat z tvrdého zdroje napětí nebo zdroje proudu.

48 VÝKONOVÝ MOFET ouble iffused MO =MO vojitá difúze umožní vytvořit jámu P, ve které se indukuje kanál existence body diode. ) ource io 2 ate ource jáma P N + N + jáma P N UBTRÁT N + rain Body dioda se musí při vypínání zotavit nastavení dead time u budičů.

49 VÝKONOVÝ MOFET Vypínání induktivní zátěže: Ochrana pomocí Free Wheeling iode Ochrana pomocí RC článku RC ochrana (nubber) +U +U +U L L L R R C C a) b) c)

50 VÝKONOVÝ MOFET Aplikace