Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 7: MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) - Phần 1 - Hồ Trung Mỹ

Nội dung text: Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 7: MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) - Phần 1 - Hồ Trung Mỹ

1. 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
2. Các loại FET (1/2) 3
3. MOSFET 5
4. Cấu trúc của MOSFET (loại giàu) Si • Kênh điện tử (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
5. (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
6. (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). • Minh họa: dòng máng bão hòa Điện tích không gian • Các điện tử đi qua miền điện tích không gian của tiếp xúc pn+ bị phân cực ngược 11
7. Đặc tuyến ID-VDS cho N-EMOS được suy từ mô tả định tính Miền Miền tuyến tính bão hòa Hình 7.2 13
8. Tụ điện MOS 15
9. 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
10. 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
11. Điện áp dải phẳng Vfb Hình 7.7 Điệp áp dải phẳng (Flatband Voltage) Là điện áp được đưa vào ở cổng sao cho không có bẻ cong dải năng lượng trong bán dẫn 21
12. Các chế độ phân cực cho tụ MOS Xuất phát từ vị trí dải phẳng có 3 chế độ phân cực quan trọng cho tụ MOS: 1. Tích lũy lỗ (Hole Accumulation): khi phân cực âm giữa kim loại và bán dẫn 2. Nghèo (Depletion): khi phân cực dương giữa kim loại và bán dẫn 3. Đảo ngược (Inversion): khi phân cực dương giá trị đủ lớn giữa kim loại và bán dẫn 23
13. Nghèo (Depletion) qVG Hình 7.10 Nghèo (Depletion): Nếu phân cực dương được đưa vào giữa kim loại và bán dẫn, mức Fermi trong kim loại bị giảm đi 1 lượng eV so với bán dẫn, làm cho dải hóa trị đi xa mức Fermi bán dẫn, chỗ gần giao tiếp. Kết quả là mật độ lỗ gần giao tiếp giảm nhỏ hơn giá trị khối trong bán dẫn loại P. Do đó n ~ p ~ 0. 25
14. Hình 7.12: Sơ đồ phân bố điện tích, điện trường, và điện thế tĩnh điện trong tụ MOS lý tưởng ở chế độ đảo ngược. Một khi đảo ngược bắt đầu, bề rộng miền nghèo W không tăng nữa do mật độ điện tử tự do cao ở miền giao tiếp. 27
15. Capacitance-Voltage Characteristics 29
16. Hoạt động của N-EMOS 33
17. Sụt áp trên tụ MOS là với Chú ý: với Điện dung Điện dung trên đơn vị diện tích Diện tích Ở ngưỡng, kênh điện tử được cảm ứng tại giao tiếp O-S. Điều này xảy ra khi bắt đầu có đảo ngược mạnh 35
18. Điện dụng của tụ MOS lý tưởng Điện dung của tụ oxide: Điện dung của miền nghèo Ta có 2 tụ mắc nối tiếp, như vậy điện dung tổng cộng là: 37
19. 2D Bàn về đường cong CMOS theo V Tích lũy Lỗ được tích lũy tại giao tiếp O-S Nghèo Độ dày của miền nghèo tăng theo V Bắt đầu đảo ngược mạnh 39
20. Tụ MOS thực tế Tổng quát, có hiệu công thoát giữa kim loại và bán dẫn. Nghĩa là Hiệu công thoát Thường có các điện tích bị bẫy vào oxide, thí dụ các ion Na+. Các điện tích oxide tạo ra điện áp 41
21. (Điện áp dải phẳng) Cộng các phương trình (32) và (33) cho Với QOX là điện tích dương hiệu dụng tại giao tiếp O-S (Điện áp ngưỡng) Phương trình (26) đúng cho cấu trúc MOS lý tưởng. Trong trường hợp cấu trúc MOS thật, ta phải kể đến các hiệu ứng của hiệu công thoát và điện tích oxide. Điện áp ngưỡng của cấu trúc MOS thật là: 43
22. Hỗ dẫn 51
23. Tóm tắt: N-EMOS trong miền tuyến tính và bão hòa V Cox TN Với VTN Dòng máng trong miền tuyến tính Cox VTN Với VTN Dòng máng trong miền bão hòa VTN = VTH của N-EMOS 53
24. MOSFET loại giàu và loại nghèo • MOSFET loại giàu (Enhancement MOSFET): Khi MOSFET không có kênh dẫn với VG=0, còn được gọi là chế độ giàu, ta đặt vào điện áp ở cổng để tạo nên kênh dẫn (ON). Đây là loại MOSFET thường dùng trong IC. • MOSFET loại nghèo (Enhancement MOSFET): Khi MOSFET phải có kênh dẫn với VG=0, còn được gọi là chế độ nghèo, ta đặt vào điện áp ở cổng để làm tắt kênh dẫn (OFF). 55
25. Tóm tắt đặc tuyến các loại MOSFET 57