Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 7: MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) (Phần 1) - Hồ Trung Mỹ
ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐT
BMĐT
GVPT: Hồ Trung Mỹ
Môn học: Dụng cụ bán dẫn
Chương 7
MOSFET
(Metal-Oxide Semiconductor
Field Effect Transistor)
1
MOSFET
• Giới thiệu
• Khảo sát định tính hoạt động của MOSFET
• Tụ điện MOS
• Hoạt động của MOSFET
• Một số đặc tính không lý tưởng
• Mạch tương đương tín hiệu nhỏ
• Giới thiệu 1 số ứng dụng của MOSFET
2
Các loại FET (1/2)
3
Các loại FET (2/2)
kênh p
JFET
(chế độ nghèo)
kênh n
giàu
• FET
kênh p
kênh n
nghèo
giàu
MOSFET
nghèo
• giàu=enhancement
• nghèo=depletion
• MESFET có cả 2 chế độ giàu và nghèo
MOSFET
5
MOSFET – Cơ bản
Giới thiệu
• Trên 99% các IC được chế tạo bằng MOSFET, thí dụ như:
bộ nhớ ROM, RAM, vi xử lý, ASIC và nhiều IC chức năng
khác.
• Vào năm 2000, 106 MOSFET/người/năm được chế tạo.
• MOSFET có thành phần cơ bản là kim loại (M=Metal), lớp
cách điện SiO2 (O=Oxide), và bán dẫn (S=semiconductor)
• Các tên gọi khác của MOSFET là MISFET (Metal-Insulator-
Semiconductor), IGFET (Insulated Gate FET).
• Nguyên tắc hoạt động của FET là dòng hạt dẫn từ nguồn
điện máng được điều khiển bằng điện áp cổng hay điện
trường cổng. Điện trường này làm cảm ứng điện tích trong
bán dẫn ở giao tiếp bán dẫn-oxide.
6
Cấu trúc của MOSFET (loại giàu) Si
• Kênh điện tư (loại N) được • Kênh lỗ (loại P) được cảm
̉
cảm ứng trong bán dẫn P do ứng trong bán dẫn N do các
các điện tích dương ở cổng. điện tích âm ở cổng.
• Gọi tắt là N-EMOS
• Gọi tắt là P-EMOS
(MOSFET loại giàu kênh N) (MOSFET loại giàu kênh P)
7
Khảo sát định tính về hoạt động của MOSFET
• Ta thấy rõ là tất cả các FET (JFET, MESFET và
MOSFET) có đặc tuyến ra tương tự nhau. Ta sẽ bàn
MOSFET loại giàu kênh N (N-EMOS) ở đây.
• Ta phân biệt 3 chế độ điện áp khác nhau cho VDS, cụ thể
là
(1) VDS = 0,
(2) VDS > 0, và
(3) VDS >> 0.
8
(1) VDS rất nhỏ (VDS ≈ 0)
• VGS = 0
Trong trường hợp này, không có dòng DS. Tại sao? Bởi vì ta
có các tiếp xúc n+pn+, nghĩa là như 2 diode mắc đâu lưng
nhau, ngược chiều nhau nên ngăn dòng điện DS.
• VGS > 0
Ta có điện áp cổng hơi dương hơn. Đây là chế độ nghèo.
Các lỗ trong bán dẫn bị đẩy xuống dưới do điện tích dương ở
cổng. Bán dẫn bị nghèo hạt dẫn tự do và miền nghèo được
tạo ra.
• VGS >> 0
Ta có điện áp ở cổng rất dương. Đây là chế độ đảo ngược
(inversion mode). Các điện tử được cảm ứng gần giao tiếp
oxide-bán dẫn. Có dòng điện tử chạy từ S đến D. Độ lớn của
điện áp cổng quyết định độ lớn của dòng điện SD.
9
(2) Điện áp DS nhỏ (VDS > 0) và VGS >> 0 (chế độ đảo ngược)
• Điện trường trong miền oxide cao nhất ở đầu nguồn S của
kênh. Như vậy các điện tử được cảm ứng gần nguồn S.
• Điện trường trong miền oxide thấp nhất ở đầu máng D của
kênh. Như vậy có ít điện tử được cảm ứng gần máng D.
• Khi tăng điện áp DS có 2 hiệu ứng:
ID tăng
Các có ít điện tử hơn ở đầu máng D của kênh
ID theo VDS bắt đầu có độ dốc giảm.
10
(3) Điện áp DS lớn (VDS >> 0) vàVGS >> 0 (chế độ đảo ngược)
• Điện trường trong miền oxide cao nhất ở đầu nguồn S của kênh.
Như vậy có nhiều điện tử ở gần nguồn S.
• Điện trường trong miền oxide rất thấp hoặc zero ở đầu máng D của
kênh. Như vậy không có điện tử tự do gần máng. Kênh dẫn bị ngẹt
(pinch off).
dòng máng bão hòa
• Minh họa:
Điện tích không gian
• Các điện tử đi qua miền điện tích không gian của tiếp xúc pn+ bị
phân cực ngược
11
N-EMOS - Mô tả định tính
N+
N+
0 < VG < VTN ; VDS nhỏ hoặc lớn
không có kênh dẫn, không dòng điện
(VTN = điện áp ngưỡng MOS kênh N)
p-si
lớp đảo ngược
VG > VTN ; VDS 0
ID tăng theo VDS
miền nghèo
Hình 7.1
VG > VTN; VDS nhỏ, > 0
ID tăng theo VDS , nhưng tốc
độ tăng bị giảm
VG > VTN; VDS nghẹt (pinch-off)
ID đạt đến giá trị bão hòa, ID,sat
Giá trị VDS được gọi là VDS,sat
VG > VTN ; VDS > VDS,sat
ID không tăng nữa,
miền bão hòa.
12
Đặc tuyến ID-VDS cho N-EMOS
được suy từ mô tả định tính
Miền
Miền
bão hòa
tuyến tính
Hình 7.2
13
Đặc tuyến ID-VDS với N-EMOS kênh dài (L << L),
với nhiều giá trị khác nhau của VG
VG tăng
VG < VTN
Hình 7.3
• MOSFET kênh dài được định nghĩa là dụng cụ có độ rộng và chiều dài đủ để
bỏ qua các hiệu ứng cạnh từ 4 phía.
Chiều dài kênh L phải lớn hơn nhiều tổng các miền nghèo tại máng và
nguồn.
• Thực tế: L > 1 m là MOSFET kênh dài và L ≤ 1m là MOSFET kênh ngắn
14
Tụ điện MOS
15
Công thoát (Work Function)
• Ái lực điện tử (Electron Affinity) & Công thoát (Work Function)
là các số đo của vật liệu cho biết cần bao nhiêu năng lượng để điện tử
đến được chân không (EVAC)
Ái lực điện tử: năng lượng cần chuyển điện tử từ EC vào chân không
q EVAC EC
Công thoát: năng lượng cần chuyển điện tử từ mức Fermi vào chân không
qS q
EC EF
• Công thoát của các vật liệu khác nhau:
EVAC
Công thoát của một số vật liệu
Hình 7.4
16
Quy ước về điện áp
• Xét 2 vật liệu 1 và 2 như hình minh họa ở hình 7.5 với các công thoát
(work function) φ1 và φ2 tạo nên 1 chuyển tiếp (junction).
• Ta luôn luôn tham chiếu các điện áp so với vật liệu 2.
• Thế điện hóa (electrochemical potential) của vật liệu 1 so với vật liệu 2 là
φ1 − φ2. Từ đó điện áp có sẵn (built-in volatge) của cấu trúc này theo định
nghĩa là điện áp dùng để đồng chỉnh 2 mức năng lượng:
Vbi = −(φ1 − φ2)
Điện áp cần đưa vào để tạo nên các dãi phẳng (flat bands) trong chuyển
tiếp là Vfb = −Vbi.
• Bây giờ ta xét một tụ MOS . Hình 7.6c cho thấy giản đồ năng lượng của
dụng cụ với phân cực zero trên cấu trúc MOS và V = Vfb được đưa vào vật
liệu 1 so với vật liệu 2.
• Theo quy ước của chúng ta thì Vbi = −(φm − φs) = −φms
• Trong thí dụ này thì φms âm và dẫn đến Vbi là số dương.Từ đó Vfb = −Vbi
ta có Vfb = φms . Khi áp dụng vào trường hợp này ta thấy Vfb âm
17
Hình 7.5
a) Giản đồ năng lượng trước khi tạo thành tiếp xúc:
q2
q1
EF2
q(1-2)
EF1
b) Giản đồ năng lượng sau khi tạo thành tiếp xúc:
-qVbi
EF
EVAC = mức năng lượng chân không
18
Hình 7.6 (1/2)
(a) Sơ đồ của tụ điện MOS.
(b) Giản đồ năng lượng của kim loại được cách ly, oxide, và bán dẫn. Trên hình cho
thấy công thoát kim loại, công thoát bán dẫn và ái lực điện tử (electron affinity)
19
Hình 7.6 (2/2)
Vbi = −(φm − φs) = −φms
Vfb = −Vbi = φms
(c) Giản đồ năng lượng của cấu trúc MOS trong điều kiện cân bằng
và trong dải phẳng (flatband)
20
Tải về để xem bản đầy đủ
68 trang
22200
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 7: MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) (Phần 1) - Hồ Trung Mỹ", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_dung_cu_ban_dan_chuong_7_mosfet_metal_oxide_semico.pdf
