Tranzistorul MOS

Aa cum am menionat, schemele digitale bazate pe tranzistoare bipolare au marea

limitare c nu pot fi integrate foarte mult (n special datorit puterii mari disipate n regim

staionar). Tranzistorul MOS a fost inventat ulterior, tocmai pentru a rezolva aceast

problem, el permind reducerea continu a dimensiunilor i creterea nivelului de

integrare.

Tranzistorul nMOS

Structura i principiul de funcionare

Pe un substrat de tip P, sunt create dou regiuni de tip n (Sursa S i Drena D). Intre ele,

pe suprafaa siliciului, se depun succesiv un strat de material izolator (tradiional SiO2) i

unul de material conductor (de ex. metal). Metalul formeaz poarta G (de la gate).

Terminalele G i S, D pot fi conectate n exterior, pentru a forma circuitul de intrare i

respectiv de ieire.

- 2 diode parazite - substratul (B, de la bulk) la mas.

- ansamblul metal oxid semiconductor (de unde numele de MOS) - un condensator.

, mica,

Daca aplicm o tensiune pozitiv ntre poart i mas, i considerm c sursa va fi

mereu legat la mas, tensiunea poate fi notat .

- V mica - cmp electrostatic relativ mic,

- respinge golurile din substratul de tip p.

- zon de srcire (de sarcin spaial), care se unete cu cea a jonciunilor pn.

- condensatorul format de poart i silciu se ncarc sarcina acumulat pe placa

metalic fiind compensat de cea a ionilor negativi din regiunea de sarcin spaial

Daca se aplica vDS > 0, nu apare curent ntre dren i surs. Tranzistorul este blocat.

Sarcina de ioni din regiunea de sarcin spaial crete proporional cu .

- vGS crete - decalaj fa de sarcina ionilor.

sunt atrai/ smuli electroni liberi (inclusiv din regiunile n ale drenei i sursei) care se

acumuleaz sub materialul izolator, a.. suma dintre sarcina ionilor i a acestor electroni

s fie proportional cu tensiunea aplicat (i egal cu sarcina acumulat pe metal).

ncepe s apar o zon de sarcin liber de tip n, ntr-un semiconductor de tip p. Acest

fenomen se numete inversiune i este la inceput slab.

Daca se aplica vDS > 0, nu apare curent semnificativ ntre dren i surs (nu exist

suficieni purttori mobili). Tranzistorul este blocat.

Sarcina de tip n (electroni liberi) devine egal cu a sarcinii spaiale i apoi o depete,

pentru vGS > Vp (valoare de prag). Se formeaz un canal de conducie ntre S i D.

Canalul are un potenial uniform, nul (sursa i dren sunt legate la mas). Tranzistorul

se deschide i poate conduce.

Dac se aplic VDS > 0, apare un curent (semnificativ) n circuitul dren surs

Tranzistorul conduce.

Se observ c acest current este cu att mai mare cu ct tensiunea pe poart e mai

mare (mai muli electroni n canal) i respectiv tensiunea pe dren este mai mare (dar

rmne sub o anumit valoare, aa cum se va vedea). Curentul poate fi deci contralat

din circuitul porii efect de tranzistor.

-tranzistor cu efect de cmp (TEC, respectiv FET) - cmpul electrostatic al porii. Uneori

se folosete i denumirea de TECMOS, respectiv MOSFET.

- nicio diferen constructiv ntre surs i dren. Surs, - zona conectat la mas.

Spre deosebire de TBIP, curentul este exclusiv unul de conducie, iar purttorii

sunt exclusiv electronii (se mai numete tranzistor unipolar). Astfel, tranzistorul

se comport efectiv ca o rezisten (a canalului), rezisten controlat de

tensiunea de poart.

Cderea de tensiune pe aceast rezisten este chiar tensiunea vDS. La contactul cu

drena, potenialul canalului este VD, iar la cel cu sursa, VS=0. Aceasta nseamn c

sarcina acumuat n canal este distribuit neuniform, fiind mai mare la contactul cu

sursa i mai mic la cel cu drena.

Calculul curentului IDS Regimuri de funcionare

Pentru nceput se va deduce densitatea sarcinii acumulate n canal, raportat la

unitatea de arie. Se noteaz cu Z limea canalului (coincide cu aceea a tranzistorului)

i cu L distana dintre surs i dren (lungimea maxim a canalului). Se folosete de

aceea capacitatea, pe unitate de arie, a condensatorului.

[

] [

]

unde aria condensatorului format de metal, izolator i canal este

Sursa i drena conectate prin canal, tranzistorul poate

conduce

Densitatea sarcinii pe unitatea de arie este, ca la orice condesator, proporional cu

capacitatea acestuia pe unitatea de arie i cu tensiunea pe condensator. Aceast

dependen liniar ncepe din momentul n care se formeaz canalul, respectiv cnd

sarcina electronilor liberi este mult mai mare dect a ionilor, deci pentru VGS > Vp.

Pentru tensiuni mai mici ca aceea de prag, sarcina este acumulat majoritar n ionii

imobili i este dat de alt lege. De aceea, proporionalitatea va fi cu VGS - Vp:

( )

Deoarece potenialul este constant de-a lungul canalului (i nul), densitatea de sarcin

acumulat este de asemenea constant de-a lungul acestuia.

Conducie, canal continuu

, cderea de tensiune pe rezistena canalului este chiar tensiunea VDS.

-drena VD, iar la sursa, VS=0. Densitatea sarcinii acumuate n canal este neuniform,

Notnd cu y axa de-a lungul canalului, putem scrie

( )

Sistemul complet de coordonate folosit (x,y,z) :

Sarcina pe unitatea de volum,

- n = numrul de purttori pe unitatea de volum [

].

V canal = , =

i deci

Seciune prin canal, n x z, - poriunea de canal de arie i lungime dy are

rezistena (constant) de valoare dR. Prin ea - iDS (constant), i cderea de tensiune

dv(y).

cu

Rezult

( )

sau

( )

(( )

)

- Curentul crete cu o pant din ce n ce mai mic (deoarece rezistena canalului este,

din ce n ce mai mare).

ntruct tranzistorul este echivalent, n circuitul dren-surs cu un rezistor comandat de

i , aceast regiune de funcionare se numete ohmic (sau liniar).

Conducie prin canal ntrerupt n dreptul

drenei

Dac - grosimea canalului n dreptul drenei se anuleaz.

-conducia este posibil prin poriunea de zon lipsit de sarcin spaial de sub canal,

la contactul cu drena. Curentul = constant, la valoarea care se obine nlocuind

n relaia curentului

( )

[ ] = 1 V

= 0.9 V

= 0.8 V

= 0.7 V

= 0.6 V

= 0.5 V

[ ]

Conducie prin canal ntrerupt nainte de

dren

- grosimea canalului devine zero nainte de dren. Canalul devine ntrerupt

- lungimea mult mai mic dect L.

n punctul de ntrerupere - cderea de tensiune pe canal ramne

constant, indiferent de VDS. Pe poriunea lipsit de purttori mobili cderea de tensiune

este ( ), deci crete oadt cu VDS .

Canalul propriu-zis scurtndu-se, teoretic scade i rezistena sa. Practic ns, lungimea

sa nu scade mult fa de L. De aceea, valoarea total a rezistenei rmne practic

constant. Deoarece i cderea de tensiune pe canal este constant, rezult c i

curentul va rmne constant, la valoarea corespunztoare lui .

( )

Aadar curentul se satureaz (nu mai crete cu tensiunea). De aceea, aceast regiune

se numete regiune de saturaie (a curentului).

Aadar, n regiunea de saturaie, la tensiuni , tranzistorul se comport ca

un generator de curent (comandat de ), generator care, conform acestui model este

ideal.

n realitate, apare o uoar cretere a curentului odat cu creterea tensiunii ,

datorit creterii limii zonei de sarcin spaial n apropierea drenei. Ea este similar

(inclusiv ca reprezentare) cu efectul Early de la tranzistorul bipolar.

[ ]

[ ]

= 1 V

= 0.9 V

= 0.8 V

= 0.7 V

= 0.6 V

= 0.5 V

= 0.4 V

Tranzistorul pMOS

Structura i principiul de funcionare

- tensiunea aplicat pe poart trebuie s fie mai mic dect cea a substratului, respectiv

tensiunea ntre poart i substrat s fie negativ .

= 0.5 V

= 0.4 V

[ ]

[ ] = 1 V

= 0.9 V

= 0.8 V

= 0.7 V

= 0.6 V

La tranzistorul pMOS sursa se conecteaz la tensiunea de alimentare , la fel ca

substratul i n consecin .

Similar cu tranzitorul nMOS, tranzistorul pMOS conduce dac , unde Vp

reprezint tensiunea de prag, considerat pozitiv.

Pentru simplificare, se prefer s se lucreze cu i atunci i condiia de

deschidere a tranzistorului se scrie . .

Absolut similar

(( )

)

i respectiv n cea de saturaie (pentru )

( )

n ecuaiile de mai sus apare evident mobilitatea golurilor .

Se observ similtudinea foarte mare cu ecuaiile tranzistorului nMOS. De fapt, se

obinuiete s se noteze curentul prin tranzistor , att pentru tranzistorul nMOS ct i

pentru pMOS, subnelegndu-se firete c sensul este de la dren spre surs la nMOS

i de la surs la dren la pMOS (dar n ambele cazuri de la + la -).

Putem atunci sumariza principalele ecuaii ale celor dou tipuri de tranzistoare, astfel

nMOS pMOS

Notaie curent

Sens curent Dren surs (+ -) Surs dren (+ -) Semn tensiuni

Condiie de deschidere

Ecuaie n regiunea ohmic

(( )

)

(( )

)

Ecuaie n regiunea de saturaie

( )

( )

Condiia de sauraie

Dimensionarea tranzistoarelor MOS

- curent mai mare = variaie Z i L. n general L fixat i creterea se face mrind Z, =

tranzistoare mai late.

Un alt lucru important este faptul c, dup cum se tie, mobilitatea golurilor este mai

mic dect a electronilor (de circa 2-3 ori). Aceasta nseamn c, n condiii identice,

curentul printr-un tranzistor pMOS este mai mic dect printr-unul nMOS identic ca

dimensiuni. n consecin, daca dorim s avem (aproximativ) acelai curent, tranzistorul

pMOS trebuie proiectat mai lat uzual de 2 ori.

Tehnologii CMOS

n principiu, adugarea tranzistoarelor de tip p se face prin implantarea unei insule (well

n englez) pe substratul de tip n. Pe acest insul se realizeaz apoi sursa, drena i

poarta tranzistorului p.

- terminale speciale pentru conectarea la tensiunea potrivit (GND i repectiv VDD),

pentru ca diodele parazite s nu se deschid.

- zon dopat cu aceleai impuriti ca substratul/ insula, dar mai puternic contact

ohmic (i nu o diod Shotky).- zone izolatoare STI (shallow trench insulation), de fapt

SiO2 aplicat in interiorul siliciului.

[ ]

[ ]

= 1 V

= 0.9 V

= 0.8 V

= 0.7 V

= 0.6 V

= 0.5 V

= 0.4 V

Tensiunea de prag (threshold voltage) depinde de mai muli parametri, inclusiv de

concentraia de dopaj a zonei p (NA) crete cu aceasta i de Cox invers

proporional dar i de temperatur. Din aceast ultim cauz ea nu este specificat

foarte exact. Practic ea scade odat cu evoluia tehnologiei, fiind (foarte aproximativ) n

zona de 30-40% din tensiunea nominal pentru respectiva tehnologie. Astfel, pentru

exemplul uor de comparat de VDDn=5V, putem considera Vp=1.5 V, iar pentru VDDn=1

V, putem aproxima Vp=0.4V i respectiv pentru VDDn=0.6 V, Vp=0.2 V.