Ηλεκτρονική MOS Field-Effect Transistors (MOSFETs) (I) Φώτης Πλέσσας fplessas@inf.uth.gr Τμήμα Μηχανικών Η/Υ, Τηλεπικοινωνιών και Δικτύων

Δομή Παρουσίασης Εισαγωγή Φυσική δομή του MOSFET πύκνωσης Κανάλι αγωγής ρεύματος Χαρακτηριστικές iD – υDS Περιοχές λειτουργίας MOSFET τύπου p Φαινόμενο σώματος, θερμοκρασιακά φαινόμενα, διάσπαση και προστασία εισόδου

Field Effect Transistor (1/2) Η τάση ανάμεσα σε δύο ακροδέκτες του FET ελέγχει το πεδίο που δημιουργείται (field) και το ρεύμα που ρέει στον τρίτο ακροδέκτη του Μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο ως ενισχυτής όσο και ως διακόπτης Το ρεύμα του συνιστάται μόνο από ένα τύπο φορέων (μονοπολικό τρανζίστορ)

Filed Effect Transistor (1/2) Ένας συγκεκριμένος τύπος FET, το Metal-Oxide Semiconductor FET, MOSFET) βρίσκει πρακτική εφαρμογή το τέλος της δεκαετίας του ’70 Τα MOSEF μπορούν να γίνουν ιδιαίτερα μικρά Η διαδικασία για την κατασκευή τους είναι απλή Ψηφιακά κυκλώματα και λειτουργίες μπορούν να υλοποιούνται μόνο με χρήση MOSFET (χωρίς επιπλέον στοιχεία όπως αντιστάσεις διόδους κ.λπ.) Έτσι τα περισσότερα VLSI κυκλώματα υλοποιούνται με χρήση MOS(FET) τρανζίστορ Τελευταία η χρήση του επεκτείνεται και στην περιοχή των αναλογικών κυκλωμάτων

Φυσική δομή του FET sedr42021_0401a.jpg Σχήμα 5.1 Φυσική δομή του MOSFET πύκνωσης: (a) προοπτική, (b) τομή. Τυπικές τιμές: L = 0.1 έως 3 mm, W = 0.2 έως 100 mm και το πάχος οξειδίου της τάξης των 0.1 μm.

Δημιουργία καναλιού αγωγής ρεύματος Για τη συγκέντρωση επαρκούς ποσότητας ηλεκτρονίων πρέπει vGS > Vt sedr42021_0402.jpg Σχήμα 5.2 Εφαρμογή θετικής τάσης σε ένα NMOS πύκνωσης. Ένα n κανάλι σχηματίζεται στην επιφάνεια του υποβάθρου που βρίσκεται κάτω από την πύλη

Εφαρμογή υDS μικρής τιμής sedr42021_0403.jpg Σχήμα 4.3 NMOS τρανζίστορ με vGS > Vt και μικρή vDS. Το στοιχείο συμπεριφέρεται ως αντίσταση της οποίας η τιμή καθορίζεται από την vGS. Συγκεκριμένα η αγωγιμότητα του καναλιού και κατά συνέπεια το iD είναι ανάλογα της vGS – Vt’ .

Χαρακτηριστικές iD - υDS (Σχ. 4.3) sedr42021_0404.jpg Σχήμα 4.4 Οι χαρακτηριστικές iD–vDS του MOSFET του σχήματος 4.3 για μικρές τιμές vDS. Το στοιχείο λειτουργεί ως γραμμική αντίσταση με τιμή ελεγχόμενη από την vGS.

Λειτουργία με υDS μεγάλης τιμής sedr42021_0405.jpg Σχήμα 4.5 Λειτουργία του NMOS πύκνωσης καθώς αυξάνει η vDS. Το κανάλι δεν έχει ομοιόμορφο βάθος και η αντίστασή του αυξάνει καθώς κινούμαστε προς την υποδοχή. ( Η vGS διατηρείται σταθερή σε τιμή > Vt).

Χαρακτηριστική iD - υDS (Σχ. 4.5) sedr42021_0406.jpg Σχήμα 4.6 Το ρεύμα υποδοχής iD συναρτήσει της τάσης υποδοχής-πηγής vDS για NMOS πύκνωσης με vGS > Vt.

Τεχνολογία CMOS Σχήμα 5.8 Τομή ενός CMOS ολοκληρωμένου κυκλώματος. Παρατηρήστε ότι το NMOS περικλείεται από μια περιοχή τύπου p γνωστή ως πηγάδι p (p well). Σε άλλη τεχνολογία CMOS θα μπορούσε το PMOS να περικλείεται σε ένα πηγάδι τύπου n. sedr42021_0409.jpg

Κυκλωματικά σύμβολα Σχήμα 5.9 (a) Κυκλωματικό σύμβολο ενός NMOS πύκνωσης. (b) Τροποποιημένο σύμβολο με το βέλος στον ακροδέκτη της πηγής ώστε να διακρίνεται από την υποδοχή (αλλιώς η πύλη σχεδιάζεται πιο κοντά στην πηγή) και να καθορίζεται η πολικότητα (πχ κανάλι τύπου n). (c) Απλοποιημένο κυκλωματικό σύμβολο που χρησιμοποιείται όταν η πηγή είναι συνδεδεμένη με το σώμα (υπόβαθρο) ή όταν η επίδραση του σώματος δεν είναι σημαντική. sedr42021_0410a.jpg Το MOS είναι συμμετρικό στοιχείο και τα S, D καθορίζονται από το εφαρμοζόμενο δυναμικό. Για το NMOS VD > VS ενώ για το PMOS VS > VD.

Χαρακτηριστικές iD - υDS sedr42021_0411a.jpg Σχήμα 5.10 (a) Ένα NMOS πύκνωσης στο οποίο εφαρμόζονται vGS και vDS και σημειώνονται οι φορές των ρευμάτων στην κανονική λειτουργία. (b) Οι χαρακτηριστικές iD–vDS του στοιχείου.

Τρίοδος ή γραμμική περιοχή Για τη λειτουργία στη γραμμική περιοχή πρέπει να σχηματιστεί κανάλι: και η τάση υDS να παραμείνει αρκετά μικρή έτσι ώστε το κανάλι να παραμένει συνεχές. Αυτό επιτυγχάνεται όταν: τότε, και αν η υDS είναι αρκετά μικρή θα ισχύει: sedr42021_0412.jpg ή με και

Περιοχή κορεσμού Για τη λειτουργία στην περιοχή κορεσμού πρέπει να σχηματιστεί κανάλι: και η τάση υDS να αυξηθεί ώστε να προκύψει στραγγαλισμός. Αυτό επιτυγχάνεται όταν: τότε: sedr42021_0412.jpg Στην περιοχή κορεσμού το ρεύμα είναι ανεξάρτητο της υDS οπότε το MOS συμπεριφέρεται σαν μια ιδανική πηγή ρεύματος

Χαρακτηριστική iD - υGS sedr42021_0412.jpg Σχήμα 5.11 Η χαρακτηριστική iD–vGS για έναν NMOS πύκνωσης που λειτουργεί στον κόρο

Ισοδύναμο κύκλωμα ισχυρού σήματος sedr42021_0413.jpg Σχήμα 5.12 Ισοδύναμο κύκλωμα ισχυρού σήματος για ένα NMOS που λειτουργεί στην περιοχή κορεσμού

Επίπεδα τάσεων στους ακροδέκτες ενός NMOS sedr42021_0414.jpg Σχήμα 5.13 Τα σχετικά επίπεδα των τάσεων στους ακροδέκτες ενός NMOS πύκνωσης για τη λειτουργία στην περιοχή τριόδου και στην περιοχή κορεσμού

Επίδραση της υDS στο iD στην περιοχή κορεσμού Καθώς η υDS αυξάνει πέρα από την υDSsat το σημείο στραγγαλισμού μετακινείται λίγο από την υποδοχή προς την πηγή (διαμόρφωση καναλιού) sedr42021_0416.jpg Τυπικές τιμές λ είναι από 0.005 έως 0.03V-1 Σχήμα 5.14 Η επίδραση της υDS στο iD στην περιοχή κορεσμού. Η παράμετρος VA του MOSFET είναι μεταξύ 30 και 200V

Φαινόμενο διαμόρφωσης καναλιού και ro sedr42021_0417.jpg Η αντίσταση εξόδου ro είναι αντιστρόφως ανάλογη του dc ρεύματος ΙD Σχήμα 5.15 Ισοδύναμο κύκλωμα ισχυρού σήματος του NMOS πύκνωσης στον κορεσμό. Η αντίσταση ro μοντελοποιεί τη γραμμική εξάρτηση του iD από τη υDS.

MOSFET τύπου p sedr42021_0418a.jpg Σχήμα 5.16 (a) Κυκλωματικό σύμβολο του PMOS πύκνωσης, (b) Τροποποιημένο σύμβολο με το βέλος στην πηγή, (c) Απλοποιημένο σύμβολο για την περίπτωση ου το υπόβαθρο είναι συνδεδεμένο στην πηγή, (d) Οι τάσεις και τα ρεύματα του PMOS. Παρατηρήστε ότι η υDS και η υGS είναι αρνητικές και το ρεύμα iD εξέρχεται από την υποδοχή

Τρίοδος ή γραμμική περιοχή Για τη λειτουργία στη γραμμική περιοχή πρέπει να σχηματιστεί κανάλι (Vt <0): και για την τάση υDS να ισχύει : τότε, sedr42021_0412.jpg με και υGS, Vt και υDS αρνητικά

Περιοχή κορεσμού Για τη λειτουργία στην περιοχή κορεσμού πρέπει να σχηματιστεί κανάλι (Vt <0): και αν: τότε, sedr42021_0412.jpg ή με υGS, Vt, υDS και λ αρνητικά

Επίπεδα τάσεων στους ακροδέκτες ενός PMOS sedr42021_0419.jpg Σχήμα 5.17 Τα σχετικά επίπεδα των τάσεων στους ακροδέκτες ενός PMOS πύκνωσης για τη λειτουργία στην περιοχή τριόδου και στην περιοχή κορεσμού

O ρόλος του σώματος Σε πολλές εφαρμογές ο ακροδέκτης Β συνδέεται στην πηγή με αποτέλεσμα τη δημιουργία μιας ένωσης pn ανάμεσα στο σώμα και το κανάλι η οποία έχει μια σταθερή ανάστροφη πόλωση. Τότε το σώμα δεν παίζει κανένα ρόλο στη λειτουργία του κυκλώματος. Στα ολοκληρωμένα κυκλώματα που το υπόβαθρο είναι κοινό το σώμα των NMOS συνδέεται στην πιο αρνητική τροφοδοσία ενώ το σώμα των PMOS συνδέεται στην πιο θετική τροφοδοσία. sedr42021_0419.jpg

O ρόλος του σώματος Η ανάστροφη τάση πόλωσης που προκύπτει ανάμεσα στην πηγή και το σώμα VSB (για το NMOS) επιδρά στην λειτουργία του κυκλώματος. Η ανάστροφη τάση πόλωσης οδηγεί σε αύξηση της περιοχή απογύμνωσης που έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του βάθους του καναλιού. Για να επανέλθει το βάθος στην προηγούμενη τιμή πρέπει να αυξηθεί η VGS. sedr42021_0419.jpg

Φαινόμενο σώματος Η επίδραση της VSB στη μορφή του καναλιού μπορεί να αναπαρασταθεί με μια αλλαγή στη τάση κατωφλίου Vt. Άρα θα μεταβληθεί και το ρεύμα iD παρόλο που η τάση υGS μπορεί να έχει κρατηθεί σταθερή Έτσι η τάση σώματος ελέγχει το iD και συνεπώς το σώμα δρα ως μια άλλη πύλη στο MOSFET. Το φαινόμενο μπορεί να προκαλέσει σημαντική υποβάθμιση της λειτουργίας του MOSFET sedr42021_0419.jpg

Θερμοκρασιακά φαινόμενα Η τάση κατωφλίου Vt και το Κ είναι ευαίσθητες σε μεταβολές της θερμοκρασίας Το μέτρο της Vt μειώνεται κατά περίπου 2 mV για αύξηση της θερμοκρασίας κατά 1ο C. Η μείωση αυτή οδηγεί σε αύξηση του ρεύματος υποδοχής καθώς η θερμοκρασία αυξάνει Το Κ μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας με τέτοιο ρυθμό που καθίσταται το επικρατέστερο φαινόμενο. Τελικά η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε μείωση του ρεύματος υποδοχής sedr42021_0419.jpg

Διάσπαση και προστασία εισόδου Διάσπαση χιονοστιβάδας (50-100V) Διάσπαση Punch-through (20V, μικρό μήκος καναλιού) Διάσπαση οξειδίου της πύλης (50V) Το MOSFET έχει πολύ υψηλή αντίσταση εισόδου και συνεπώς μικρή ποσότητα στατικού ηλεκτρισμού στον πυκνωτή της πύλης μπορεί να προσκαλέσει αρκετά μεγάλη τάση Χρησιμοποιούνται κυκλώματα προστασίας με διόδους πολωμένες ανάστροφα προς τις γραμμές τροφοδοσίας sedr42021_0419.jpg

Ασκήσεις 5.1 Ένα NMOS πύκνωσης καναλιού με Vt=2V έχει την πηγή του γειωμένη και την πύλη του στα 3V. Σε ποια περιοχή λειτουργίας βρίσκεται αν (α) VD=+0.5V, (b) VD=+1V και (γ) VD=+5V. 5.2 Αν το NMOS της προηγούμενης άσκησης έχει μnCOX=20μΑ/V2, W=100μm και L=10μm βρείτε την τιμή του Κ. Υπολογίστε επίσης την τιμή του ρεύματος υποδοχής που προκύπτει για κάθε μια από τις περιπτώσεις της προηγούμενης άσκησης. Αγνοήστε την εξάρτηση του iD από τη υDS στον κορεσμό. 5.3 Ένα NMOS πύκνωσης με Vt=2V διαρρέεται από ρεύμα iD=1mA όταν υGS=υDS=3V. Αγνοώντας την εξάρτηση του iD από τη υDS στον κορεσμό, βρείτε το iD για υGS=4V και υDS=5V. Υπολογίστε επίσης την τιμή της αντίστασης υποδοχής-πηγής rDS για μικρή υDS και για υGS=4V. 5.4 Ένα NMOS πύκνωσης με Κ=0.1μΑ/V2, Vt=1.5V και λ=0.02V-1 λειτουργεί με υGS=3.5V. Βρείτε το ρεύμα υποδοχής όταν υDS=2V και υDS=10V. Καθορίστε την αντίσταση εξόδου rο για αυτή την τιμή της υGS. sedr42021_0419.jpg

Ασκήσεις 5.6 Ένα PMOS πύκνωσης καναλιού έχει Κ=50μΑ/V2 και Vt=-2V. Αν η πύλη είναι γειωμένη και η πηγή είναι συνδεδεμένη στα +5V ποια είναι η μεγαλύτερη τάση που μπορεί να εφαρμοστεί στην υποδοχή και το τρανζίστορ να παραμένει στην περιοχή κορεσμού; Αγνοώντας την πεπερασμένη αντίσταση εξόδου ro βρείτε το ρεύμα υποδοχής για υDS = -5V. sedr42021_0419.jpg

Άσκηση 1 Σχεδιάστε το κύκλωμα του σχήματος έτσι ώστε ID=0.4mA και VD=+1V. Tο NMOS έχει μnCOX=20μΑ/V2, W=400μm, L=10μm και Vt=2V. Αγνοήστε το φαινόμενο διαμόρφωσης του καναλιού. sedr42021_0420.jpg

Άσκηση 2 Σχεδιάστε το κύκλωμα του σχήματος έτσι ώστε ID=0.4mA. Βρείτε την τιμή της R που απαιτείται καθώς και την τιμή της τάσης VD. Tο NMOS έχει μnCOX=20μΑ/V2, W=100μm, L=10μm και Vt=2V. Αγνοήστε το φαινόμενο διαμόρφωσης του καναλιού. sedr42021_0421.jpg