Transistor hiệu ứng trường MOSFET

Transistor hiệu ứng trường
MOSFET

Nguyễn Quốc Cường
Bộ môn 3I-HUT

Transistor hiệu ứng trường
Nguyễn Quốc Cường

3

,


Giới thiệu
«

«

MOSFET:

Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

MOSFET được sử dụng nhiều trong cơng nghệ chế tạo IC
-

Kích thước nhỏ

-_ Cơng suất tổn hao thấp
-_

Giá thành thấp

„

Chế tạo IC tương tự và số có độ tích hợp cao

«

MOSFET

+

có 2 kiểu

-_

Enhancement

MOSFET

(được sử dụng nhiều)

-

Depletion MOSFET

-

Chung ta sé xem xét Enhancement

MOSFET

M6t tén khac cua MOSFET la IGFET (Insulated-gate FET)

Transistor hiệu ứng trường
Nguyễn Quốc Cường

3

4


Cấu trúc

Oxide (SiO;)
Soure
region

Source (S)
Gate (G)
Oxide (SiO2)
(thickness = 1,,)

Channel
region
——+:—
p-type substrate

p-type substrate

(Body)

(Body)

Channel

region

Drain region
(a)

Body
(B)
(b)

N-channel enhancement-type MOSFET (goi tat n- MOSFET)

Thường L = 0.1 dén 3um, W=0.2 dén 100 pum, tox = 2 đến 50nm

Transistor hiéu tng trường
Nguyễn Quốc Cường

Drain (D)


«

MOSFET co 3 cuc
-

Cuc G (Gate)

-

Cuc D (Drain)

-

Cuc S (Source)

„ _ Do lớp oxide chắn giữa cực G nên dòng cực gate là rất nhỏ
(cỡ 10-15A)

«
„

MOSFET là thiết bị đối xứng,có nghĩa là cực D và S có thể

thay đổi vai trị của nhau mà khơng làm thay đổi đặc tính
của MOSFET

Khi khơng có điện thế phân cực cho G, thì giữa D và S coi
như 2 diode mắc ngược nhau > nếu có điện áp giữa S và D
thì sẽ khơng tạo ra dịng điện > điện trở lớn (cỡ 10120)

Transistor hiệu ứng trường
Nguyễn Quốc Cường

›

4


Hình thành kênh dẫn trong n-MOS
+

Gate electrode
Induced

n-type

channel

Transistor hiệu ứng trường

Nguyễn Quốc Cường


« Cực Body, D và S nối đất
« _ Cực G được cung cấp một điện áp dương:

«
«

-_
-_

Các lỗ trống gần cực G sẽ bị đẩy ra xa
Các e của bán dẫn n+ từ S và D sẽ bị kéo vào cực G

-_

số e tập trung ít

-_

nhiều điện tử được tâp trung trong vùng dưới cực G

Nếu vẹs nhỏ:

-_ chưa hình thành kênh dẫn
Khi vạs tăng:
-_ hình thành kênh dẫn n (n-MOSFET)

-_ điện áp tạo đó hình thành kênh dẫn được gọi là điện áp

ngưỡng V, (thường từ 0.5V đến 1.0V)
- Độ sâu của kênh dẫn tỉ lệ với điện áp giữa điện thế cực G và
điện thế của kênh dẫn

Transistor hiệu ứng trường
Nguyễn Quốc Cường

v

4


Vung triode - vp, nho

Transistor hiệu ứng trường.

Nguyễn Quốc Cường

3

ý


« _ Thiết lập điện áp vọs nhỏ (cỡ 50mV):
-_

+

Các điện tử dịch chuyển từ S đến D -> tạo ra dòng i„ (chiều từ

D đến S)

Dong ip
-_

phụ thuộc vào nồng độ điện tử tập trung trong kênh dẫn, đại

lượng này lại phụ thuộc vào vẹs
-_ phụ thuộc vào vps

„_

Thực tế khi vụs nhỏ, dịng i; tỉ lệ tuyến tính với (ves - Vị)
cũng như vụs --> được coi như là điện trở (Rps) được điều

khiển bằng điện áp vọs

Transistor hiệu ứng trường
Nguyễn Quốc Cường

3

4


ip (MA)

04

tgs = V, + 2V

03

ves = V, + 15V

02

ves =V,+1V

01

vos = V, + 0.5V
ves < V;
0

Transistor hiệu ứng trường.

Nguyễn Quốc Cường

L

50

L

100

L

150

/,

200

vps (mV)

3


Hoạt động của MOSFET khi vạs lớn
«_

Giữ Vẹs = const ( > V,) va tang Ves

+

Dọc theo kênh dẫn từ

S đến D,:
+ điện áp thay đổi từ 0
đến vụs

» điện áp so với cực G

tăng từ Veg dén (Veg —
Vps)
> độ sâu của kênh
n-channel
p-type substrate

Transistor hiéu tng trường
Nguyễn Quốc Cường

dẫn sẽ có hình thang :
nở rộng tại S và thu
nhỏ tại D

v

4


Dọc theo kênh dẫn từ S đến D,:
-_ điện áp thay đổi từ 0 đến vDS

- điện áp so với cực G tăng

từ vẹs đến (vGS - vDS)

độ sâu của kênh dẫn sẽ có hình thang : nở rộng tại S và

thu nhỏ tại D
Nếu tiếp tục tăng vụs
«

dong dién i, tang

*

Vep Sẽ giảm kênh dẫn sẽ tiếp tục bị bóp nhỏ lại ở gần cực D >
điện trở tăng lên theo

Vps tăng đến giá trị mà tai D điện thế giảm đến vạp = Vị, >

độ sau kênh dẫn bằng D sẽ bằng 0 > điểm pinched-off

Tai pinched-off: dòng điện hầu như không tăng khi vụs tiếp
tục tăng
Transistor hiệu ứng trường
Nguyễn Quốc Cường

v

4

ip-Vps của e-NMOS khi vẹs > V,
tp

I<— Triodecee

Saturation —————>-

ts < ves — Vi

Curve bends because
the channel resistance

ups = ves — Vi
Sy

increases with wps5

Current saturates because the
channel is pinched off at the
drain end, and vps no longer

affects the channel.
Almost a straight line

with slope proportional

to (vgs — V,)

tes > V,

0

Transistor hiệu ứng trường.

Nguyễn Quốc Cường

Đpssu = Yas — Vr

Ups

3


Chế độ làm việc của MOSFET
._ Kênh dẫn chỉ hình thành khi vạs > Vị,

- Khi vps < (Ves-V,) > dòng điện ip tỉ lệ thuận với vps và vạs >

vùng điện trở điều khiển (hay vùng triode)
- Khi vs > (vas-V,) dịng điện khơng tăng khi vp„ tăng - vùng

bão hòa

(

Ups

=

—

vas

—

V,

esos
Ups

Source

Channel

Drain

L

Độ sâu của kênh dẫn khi Veg = const, va Vpg tang
Transistor hiéu ting trường
Nguyễn Quốc Cường

Ups

= 0

3

,

Dịng điện ip
«_
«

Khi vs < Vị dịng ïp > 0 (vùng cut-off)
Khi vẹs > V,,, dịng điện i; được tính theo công thức

i, =k, TS
.

1,.W

in = 5Kn 7 (Ves

—V,)Vps — ; v3

Me)

( vung triode )
ung

(vùng

bão hòa

)

k„: tham số hỗ dẫn q trình (phụ thuộc vào cơng nghệ sản xuất MOSFET)

(đơn vị : A/V2)

W: chiều rộng kênh dẫn

L: chiều dài kênh dẫn
WIL : tis6é hinh dang cla MOSFET (aspect ratio)
(Với công nghệ của năm 2003, L,,,, = 0.13m, W„„, = 0.16m, bề dày lớp oxide

Transistor hiệu ứng trường
Nguyễn Quốc Cường

3

4


MOSFET

kênh P (PMOS)

„

Chế tạo trên một đế bán dẫn kiểu n, cực D và S là các vùng

«_

Thiết bị hoạt động giống như NMOS,

p+

„_

Vps có giá trị âm
Điện áp ngưỡng V, cũng có gía trị âm

„

Dịng điện vào từ S ra ở D

Transistor hiệu ứng trường
Nguyễn Quốc Cường

ngoại trừ rằng vạs và

3

,


CMOS
« _ Được sử dụng nhiều trong cơng nghệ chế tạo IC (cả tương
tự và số)

Transistor hiệu ứng trường
Nguyễn Quốc Cường

3

,

Ký hiệu NMOS

=—] |
(a)

c..

._

Lo

_.

TL

(b)

op
(c)

|

Ký hiệu NMOS

Một kiểu ký hiệu khác cla NMOS
Ký hiệu rút gọn trong trường hợp cực B (body) được nối với S
hoặc trong trường hợp hiệu ứng của Body là nhỏ có thể bỏ qua

Transistor hiệu ứng trường

Nguyễn Quốc Cường

3

,


Ký hiệu PMOS

cop on =
(a)

oe ft

n

on

§
ọ

on
(b)

a.

Ký hiệu PMOS

b.

Một cách ký hiệu khác của PMOS

c.

Trong trường

Transistor hiệu ứng trường
Nguyễn Quốc Cường

oof

hợp B nối với S

3

,


Đường cong đặc tính ip - Vps
ip (mA)

ig =0
4

in}

+

oa

Gs “SE”

==

piss io

ups

es

(a)

Ups (V)
ugs = V, (cutoff)

Transistor hiệu ứng trường
Nguyễn Quốc Cường


mơ hình tín hiệu lớn của NMOS trong vùng bão hòa

ig =0

—

ip

<_

sy

Transistor hiéu ứng trường
Nguyễn Quốc Cường

D

a
}