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微電子電路分析與設計

微電子電路分析與設計. Chapter 3 場效電晶體. 預覽 MOS 場效電晶體 基本金氧半場效電晶體應用 : 開關、數位邏輯閘與放大器 接面場效電晶體 將 MOS 電晶體併入設計應用中：利用二極體設計之簡單的電子溫度計之表現. Preview. 場效電晶體有兩種型態 場 (E) 效應 調整半導體的電導或電流，使電場垂直於表面 電流控制電場垂直於半導體表面和電流方向 主題：物理結構與操作、 I-V 特性、 DC 分析、應用 ( 數位邏輯閘開關、線性放大器 ) MOSFET ( 金屬 - 氧化物 - 半導體 ) 高密度 VLSI 晶片

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微電子電路分析與設計

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Presentation Transcript

  1. 微電子電路分析與設計 Chapter 3 場效電晶體

  2. 預覽 • MOS 場效電晶體 • 基本金氧半場效電晶體應用:開關、數位邏輯閘與放大器 • 接面場效電晶體 • 將MOS電晶體併入設計應用中：利用二極體設計之簡單的電子溫度計之表現

  3. Preview • 場效電晶體有兩種型態 • 場 (E) 效應 • 調整半導體的電導或電流，使電場垂直於表面 • 電流控制電場垂直於半導體表面和電流方向 • 主題：物理結構與操作、I-V 特性、DC分析、應用 (數位邏輯閘開關、線性放大器) • MOSFET (金屬-氧化物-半導體) • 高密度 VLSI 晶片 • 小於BJT • 沒有電阻或二極體高密度VLSI電路 • 低功率消耗 • JFET (junction) • pn 接面的 pn JFET • 蕭特基位障街面,形成金屬-半導體場效電晶體 (MESFET)

  4. MOS 場效電晶體 • 兩端MOS 結構 • MOSFET的中心部位：金屬-氧化物-半導體的電容 • 金屬：鋁(Al) 或其他金屬,或高導電的多晶矽 • 氧化層： • tox：氧化層的厚度 • ox：氧化層的介電常數

  5. MOS 電容在P型態半導體結構 • 閘極負偏壓 • 電場穿透至半導體，由基板到金屬 • 電洞受到靜電力，往氧化層和半導體的介面 • MOS電容底部帶有正電荷的電洞累積層

  6. 中度的閘極偏壓 • 正電荷在金屬頂部平面上 • 電場方向從上到下 • 電洞會因受到靜電力，會遠離氧化層和半導體間的介面 • 產生一個帶負電的空間電荷區

  7. 較大的閘極偏壓 • 電子反轉層：少數載子電子會被吸引到氧化層和半導體的介面 • 反轉層有較多的電荷 應用閘電壓

  8. p型半導體基板的MOS電容 • 電洞反轉層 • 增強型： • 產生反轉層必須在閘極有外加電壓 • P 基板：vG > 0 產生電子反轉層 • N基板： vG < 0產生電洞反轉層

  9. n通道增強型 MOSFET • 電晶體結構 • 閘極 (G), 氧化層和p型結構區域與MOS電容 • 兩個 n區域, 源(S) 和汲(D) • 通道長度L< 1μm • 通道寬度W • 氧化層厚度tox < 400 Å (Å=10-8 cm=10-10 m) • 電流的大小是由反轉層的電荷量決定 • 場氧化物：沉積在金屬接線外的厚氧化物 • 閘極材料通常使用重參雜的多晶矽

  10. 基本晶體操作 • vG = 0： • 源極和 汲極之間是由p型半導體分開 • 就像一個背對背連接的二極體 • 電流基本上是零 • vG >> 0： • 電子反轉層產生在氧化物與半導體界面間產生 • “連接” n型源極與 n型汲極 • 源極與汲極之間可以產生電流 • n通道增強型 MOSFET (增強型 NMOS 電晶體) • 增強型： vG用於產生反轉電荷 • n通道：反轉層裡的載子在是電子

  11. NMOS電晶體 • vDS是電子流動是從源極流向汲極 • 習慣是電流進入汲極，離開源極 • iDS電荷在反轉層 vG • 閘極沒有電流,iG：因為閘極有氧化物或絕緣體所以與通道分隔 • 沒有電流通過基板：有空間電荷區所以基板與通道是分開的

  12. 理想 MOSFET I-V 特性 • NMOS 電晶體的起始電壓, VTN • vG需要VTN去“導通”電晶體 • vG需要產生反轉電荷 • N-type (P-type)基板中，反轉電荷密度等於Nd (Na) 多數載子 • n通道增強型 VTN＞ 0 是正的 • vG > 0, 產生反轉電荷 • vD對 vS 量測和vG對 vS量測 • 源極和基板連接到地 • 如果 vGS< VTN且 vDS ＞ 0, • 沒有電子反轉層  小的iDS • 汲極和基板的pn接面上會 產生反向偏壓 iDSUB = 0

  13. 假如vGS> VTN 與vDS＞ 0, • 電子反轉層產生IDS • 電子流動從源極到汲極(汲極電壓是正電壓) • iDS進入汲極離開源極 • vD＞ 0, 汲極和基板的pn接面上會產生反向偏壓，因此電流不會再汲極和基板的pn接面流動，只會在通道流動

  14. 在小數值 vDS 的 iDS- vDS特性曲線 • vGS<VTN, iDS是零 • vGS>VTN ，iDS隨著 vDS 增加而增加 • iDS- vDS關係是像電阻一樣線性 • 較大vGS增加iDS：產生較大反轉電荷密度

  15. vDS增加 • vGD(= vGS- vDS) 靠近汲極跨越氧化層減少  靠近汲極的反轉層電荷密度減少  增加電導使靠近汲極通道變小  iDS對vDS 曲線斜率開始變小

  16. vDS增加至飽和電壓 • 飽和電壓：vDS(sat)= vGS-VTN • 汲極端使反轉電荷密度為零 • 汲極端增加通道電導為零 • iDS對vDS 曲線斜率為零 • vGS- vDS(sat)= VTN or VTN= vGD(sat)

  17. 當vDS> vDS(sat) • 通道中反轉電荷密度為零的位置逐漸向源極移動。在飽和區時iDS是常數 • 電子由源極進入通道，從源極到汲極 • 這個點反轉電荷是零 • 注入空間電荷區 • 被電場掃入汲極

  18. iD對vDS關係表示式 • iD對vDS 曲線的初始斜率隨著vGS增加而增加 vDS (sat)增加 (如虛線 ) • vDS< vDS(sat)稱為非飽和(三極)區： • 電導參數 • n 是反轉層裡的電子移動率 • 單位面積的氧化層電容 • 矽元件 ox=(3.9)(8.8510-14) F/cm =0.34515 nF/cm

  19. vDS > vDS(sat)飽和 • 理想的，增加或小訊號電阻無窮大 • Vds 的 iD 是獨立 • Kn導電參數、移動率 (n) and (Cox and W/L) 參數基本上是製造廠給定 • MOS電路裡W/L 產生特定I-V 特性 • 製程導電參數

  20. Example 3.1： 計算 n 通道MOSFET電流。考慮一個n通道增強型MOSFET下面參數: VTN=0.75V, W=40μm, L=4μm, μn=650cm2/V-s, tox = 450Å 和εox =(3.9)(8.85*10-14) F/cm. 求當電晶體偏壓在飽和區， VGS=2VTN之電流 解：算出(3.3(a))式的導電參數。首先，考慮單位 等式如下：

  21. 因此導電參數值之值 或 從等式(3.2(b))帶入 得

  22. p通道增強型MOSFET • n和p電晶體區別 • 結構 • N型態基板 • P型態源極與汲極 • 電性特性 • 電荷載子是電洞 • vGS<0 引導反轉層是電動 • VTP<0：起始電壓 • 電洞從源極到汲極 • ISD：進入源極，離開汲極

  23. 理想 P通道的 MOSFET I-V 特性 • PMOS電晶體起始電壓VTP • 飽和點： vSD (sat) = vSG + VTP • I-V 非飽和區 • I-V 飽和區 • 參數p 為電洞反轉層中的電洞移動率 • vSD> vSD (sat) = vSG + VTP 飽和區

  24. Example 3.2：當p通道增強型MOSFET 在飽和區時，求源極-汲極之電壓。 p通道增強型MOSFET之參數 KP=0.2mA/V2，VTP= -0.50V，iD=0.50mA. 解：在飽和區，汲極電流如下： 或 得 使p通道MOSFET偏壓在飽和區，則 電晶體是否偏壓於飽和區或是非飽和區，由vGS和 vDS 兩者來決定

  25. Circuit symbols and conventions • n通道增強型慣用MOSFET的電路符號 • 垂直的實線：閘極 • 虛線： 通道 • 閘極線與通道線之間分隔為氧化物 • 虛線是增強型

  26. 基板與通道的極性，由基板(本體)的箭頭來表示基板與通道的極性，由基板(本體)的箭頭來表示 • 箭頭的方向指出電晶體的型態 • 左 (右) 一個 n- (p-)通道元件 • 大多數應用中，源極與基板連接一起 • 源極箭頭方向表示電流方向 (p 進, n 出)

  27. 了解「上」端點是汲極，與「下」端點是源極 • 上端點電壓比下端點高 • PMOS在閘極端額外加了一個O的符號 • PMOS上端點是源極，下端點是汲極

  28. 其他MOSFET 結構與電路符號 • n通道空乏型 MOSFET • n通道連接源極跟汲極 • 當vGS = 0 時，氧化層下方的反轉層已存在 • 當vGS = 0則iDS≠0 • 空乏型 • vG的電壓使n通道空乏型MOSFET去關閉元件 • VTN< vGS < 0, iDS減少 • 氧化層下方的空間電荷區  n通道區厚度減少  減少厚度也降低電導  汲極電流減少 • 通道電導減少 • vGS ≦VTN, iDS = 0 • 空間電荷區與n通道區完全重疊

  29. vGS > 0, iDS增加 • 產生電子累積層 • I-V 特性：空乏型 • 空乏型VTN 是負電壓的而 VTP 是正電壓

  30. 電路符號 • 垂直實線：空乏型 垂直虛線：增強型 • 簡化符號 • 箭頭在源極，指示的方向是iDS • 源極箭頭朝外是n通道元件 • 粗實線則代表空乏型通道

  31. P 通道 MOSFETs (PMOS 電晶體) • n- 和 p-電晶體之間差異 • 結構 • N型基板 • P型的源極和汲極 • 電洞之通道區存在於氧化層下方 • 電性特性 • 電荷載子是電洞 • vGS > 0 元件導通 • 起始電壓：VTP > 0 • 電洞從源極流向汲極 • ISD：進入源極, 離開汲極

  32. 互補式 MOSFETs (CMOS) • 所謂互補式MOS，是在電路上同使用n 通道與 p 通道 • 為了使得 n 通道元件與 p 通道元件的電性相同 • 起始電壓與通道的電導參數必須相同 • μp和 μn移動率不一樣調整 W/L 比例

  33. 電晶體操作概要 • VTN 和 VTP 有一個障礙在汲極-閘極(VD-VG) • VTN的障礙在VGD，使得電晶體 “關” 和 “開” • n通道：“開” 根據 VGS > VTN, 則增強型 VTN > 0 與空乏型 VTN < 0 • p通道： “開” 根據 VSG > -VTP,則增強型VTP < 0 與空乏型VTP > 0

  34. 飽和區 VDS： • 依靠vGS (vSG), VGD (sat) 起始電壓 • n通道：vDS(sat) =VDG(sat)+vGS=-VGD(sat)+vGS =vGS-VTN • p通道：vSD(sat) =vSG+VGD(sat)=vSG+VTP

  35. Short-Channel Effect • I-V 特性上討論長通道元件 • L 大於2 μm • vDS所造成通道中的水平電場 • vGS所造成通道中的垂直電場 • 垂直與水平電場是獨立看待 • 現今元件 L 在0.2 μm 或更小 • 影響短通道元件 • 起始電壓 (VT)---VT L 和1/vD • 製程導電參數---Kn` μn 1/EG • 在反轉層中垂直電場(vG)之函數 • 速度飽和 • 隨著水平電場(vDS)增加，載子的速度會達到一常數值 • 較低vDS(sat)  i DS達到飽和電流較小的vDS • 飽和區中i DS約為vG之線性函數 • 在長通道元件閘極電壓為二次曲線

  36. 非理想電流-電壓特性 • 有限電阻輸出 • 理想的飽和 iD和 vDS是獨立的 • 實際上MOSFET, 飽和區的斜率不是零 • 通道長度調變效應：反轉電荷為零的位置從汲極向源極移動，通道長度降低

  37. I-V 特性曲線在有限輸出電阻 • 曲線外插至電壓軸會交會在 vDS= -VA這點 • VA ：爾利電壓 • I-V 關係變成 • λ：通道長度調變效應 • iD=0, • 由通道長度調變所造成的輸出電阻定義：

  38. 基體效應 • 起始電壓是常數：基板(本體)連接源極 • 在晶片中, 所有n通道MOSFETs 的基板均相連在一起，交到電路中最負的電壓 • 如圖，兩個n通道 MOSFETs 串聯再一起 • p型基板共用 • M1的汲極與 M2的源極共用 • 當兩個電晶體導通時， M1 的汲極-源極電壓並不為零

  39. M2的源極的電位與基板的電位並不相同 • 反轉偏壓 vS-B 改變起始電壓 • 在n通道保持 vS-B≧ 0 ,起始電壓將會： 基體效應 • VTN0：vS-B = 0之起始電壓 •  ：稱為起始參數或是本體效應參數，典型值 0.5V1/2 • Φf：半導體參數半導體參雜 , 典型值0.35V

  40. 次臨界導通 • 理想結果： • 實驗結果顯示： • 次臨界電流：vGS稍微小於VTN則 iD不為零 • 在晶片中，上千個元件偏壓在稍微小於次 起始電壓時，可能會造成很大的電流，使 電源有很大的功率消耗 • “真正” 截止：小於 VTN零點零幾伏 • 崩潰效應 • 1.汲極到源極 pn 接面： • 汲極到基板 pn 接面，會因施加於vD電壓太大而產生雪崩效應 • 2.另一種崩潰稱擊穿：當元件變得很小時 • vD 電壓大到使汲極空乏區，完全延伸經過通道而到達源極所致 • 這種效應會使汲極電壓只要稍微 增加一點，iDS 就會增加非常大

  41. 3.近雪崩或是回奪崩潰： 這種崩潰是由MOSFET 中的二次效應產生 • 當元件縮小時，源極-基板-汲極的結構是雙極電晶體結構 • 這種寄生的雙極電晶體行為會隨著汲極電壓增加而產生影響。寄生效應會增強崩潰效應 • 4.氧化層崩潰： • 崩潰電場Eox大約：6*106 V/cm • 氧化層厚度為tox=500Å ，30V的vG 會使氧化層厚度崩潰 • 3安全係數 (vG ≦ 10V 可用) • 安全係數是必要的，因為氧化層中的缺陷會使崩潰電場變低

  42. 輸入阻抗 RG非常高,在閘極上只要有少許的靜電荷就可能會超過崩潰電壓 VBR • 為了避免靜電荷在MOSFET 閘極電容累積，MOS積體電路的輸入端會有一個保護電路，例如反向二極體

  43. 溫度(T) 效應 • VTN 和Kn均為溫度之函數 • VTN大小會因為溫度升高而減小 • 固定VGS則iDS會隨著溫度升高而增加 • Kn 為反轉層載子移動率μn 的函數 • 移動率μn隨著溫度升高而降低 • 固定VGS ， iDS隨著溫度升高而變小 • 移動率的溫度效應比起始電壓的溫度效應還重要 • 這個特別的結果，使得在功率MOSFET中，有負回授的情況。 • Kn 值變小，使得通道電流受到限制，對功率產生穩定效用

  44. MOSFET DC 電路分析 • 預覽 • 現在開始設計與分析MOS電晶體電路直流偏壓 • 能夠熟悉 MOSFET 電路 • 本章節，電阻與電晶體被結合使用 • 實際上 MOSFET IC, 電阻一般是被其他電晶體所取代，因此電路完全由MOS元件構成 • MOSFET 的體積遠小於電阻

  45. 共源極電路 • NMOS 增強型共源極(CS)電路 • 源極接地，由輸入與輸出埠共同使用 • 直流分析中耦合電容 (CC) 開路, 但是允許訊號電壓 耦合至閘極 • DC 等效電路和分析 • iG進入閘極電流是零，閘極電壓由分壓器所給定： • 假定 VGS > VTN, NMOS 在飽和區 • 源極電流 • 假如VDS > VDS (sat) =VGS-VTN 分析正確 • 假如VDS < VDS (sat) 電晶體偏壓在非飽和區 假設錯誤 • NMOS功率消耗： PT = IDVDS

  46. Example 3.3：n通道增強型MOSFET 之共源極電路，計算 IDS 和 VDS 以及電晶體功率消耗? 假定 R1 =30 kΩ, R2=20 kΩ, RD=20 kΩ, VDD=5V, VTN=1V, 和Kn=0.1mA/V2 Solution： 從等式 (3.12)，得到

  47. 假定電晶體偏壓在飽和區 汲極電流為 汲極-源極電壓為 電晶體功率消耗為

  48. 共源極電路之PMOS 增強型電路 • 源極端點被接上 +VDD, 變成在交流等效電路中的接地訊號 • 直流分析與 NMOS 相同 • ; • 假定 VGS<VTP or VSG>|VTP| ，而且在飽和區 • 假如 VSD>VSD(sat) = VSG+VTP分析正確 • 假如VSD<VSD(sat) 在非線性區  分析錯誤

  49. Example 3.4：p通道增強型MOSFET 之共源極電路，計算 IDS 和 VDS 假定 R1=R2=50kΩ, VDD=5V, RD=7.5kΩ, VTP= -0.8V 和 KP=0.2mA/V2. Solution：從等式 (3.16)，得到 源極-汲極電壓為

  50. 假定電晶體偏壓在飽和區 汲極電流為 源極-汲極電壓為 由於VSD不大於 p通道 MOSFET 不是偏壓在飽和區， 假設錯誤

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