CHƯƠNG TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG NỘI DUNG 4.1 Tụ MOS 4.2 Cấu tạo MOSFET 4.3 Nguyên lý hoạt động MOSFET 4.4 Mơ hình tốn học MOSFET 4.5 Đặc tuyến MOSFET 4.6 Các hiệu ứng MOSFET 4.1 TỤ MOS Cấu trúc MOS • MOS = Metal – Oxide - Semiconductor • Cấu trúc MOS cấu tạo từ lớp vật liệu: - Lớp kim loại (metal), gọi cực cửa (gate) - Lớp nằm lớp oxit (oxide) - vật liệu cách điện - Lớp lớp bán dẫn (semiconductor) p n có nồng độ pha tạp thấp, gọi đế (substrate hay body) Cấu trúc MOS • Cấu trúc MOS tương tự cấu trúc tụ điện: lớp vật liệu dẫn điện cách lớp vật liệu cách điện • 𝑇𝑜𝑥 - độ dày lớp oxit, thơng số quan trọng MOS • Nếu lớp bán dẫn đế loại p, ta có cấu trúc nMOS; loại n, ta có pMOS Nguyên lý hoạt động MOS • Khi đặt điện áp vào cực cửa đế, điện tích cực cửa cân điện tích lớp bán dẫn • Tùy thuộc vào giá trị điện áp cực cửa đế, MOS có vùng hoạt động: - vùng tích lũy (accumulation region), - vùng nghèo (depletion region), - vùng đảo (inversion region) • nMOS lấy làm ví dụ để xem xét nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động nMOS • Vùng tích lũy (𝑽𝑮 < 𝟎): - Cực cửa tích điện âm hút lỗ trống phía bề mặt tiếp xúc lớp oxit đế bán dẫn tạo thành lớp lỗ trống - 𝑄𝑐.𝑐ử𝑎 = 𝑄𝑙.𝑡 𝑑1 = 𝑇𝑜𝑥 𝑉𝐺 < 𝑇𝑜𝑥 Nguyên lý hoạt động nMOS • Vùng nghèo (𝟎 < 𝑽𝑮 < 𝑽𝑻𝑵 ): - Các lỗ trống nằm sát với lớp oxit bị đẩy xa  để lại ion nguyên tử nhận (bị cố định mạng tinh thể)  tạo nên vùng nghèo - 𝑄𝑐.𝑐ử𝑎 = |𝑄𝑖𝑜𝑛 | 𝑑2 = 𝑇𝑜𝑥 + 𝑊𝑑 𝑇𝑜𝑥 Hole Nguyên lý hoạt động nMOS • Vùng đảo (𝐕𝐆 ≥ 𝑽𝑻𝑵 ): - Các điện tử bị hút phía mặt tiếp xúc lớp oxit đế  mật độ điện tử > mật độ lỗ trống  tạo nên lớp đảo (inversion layer) hay gọi kênh (channel) - 𝑄𝑐.𝑐ử𝑎 = |𝑄đ.𝑡 + 𝑄𝑖𝑜𝑛 | 𝑑3 = 𝑇𝑜𝑥 𝑇𝑜𝑥 Nguyên lý hoạt động nMOS • Sự thay đổi điện dung tụ MOS theo điện áp cực cửa: - vùng tích lũy (𝑽𝑮 < 𝟎): 𝑑1 = 𝑇𝑜𝑥 - vùng nghèo (𝟎 < 𝑽𝑮 < 𝑽𝑻𝑵 ): 𝑑2 = 𝑇𝑜𝑥 + 𝑊𝑑 - vùng đảo (𝐕𝐆 ≥ 𝑽𝑻𝑵 ): 𝑑3 = 𝑇𝑜𝑥 • Được biết, cơng thức tính điện dụng tụ : 𝜀𝜀0 S 𝐶= d Nguyên lý hoạt động nMOS • Nếu đặt điện áp vào hai đầu phần đế, dòng chủ yếu chạy qua kênh • MOS có cấu trúc tụ điện: - 𝑄 = 𝐶𝑉𝐺 𝐶 = 𝜀𝜀0 𝑆 𝑇𝑜𝑥 - Đối với điện áp 𝑉𝐺 khơng đổi, để tăng điện tích 𝑄 cần phải giảm độ dày lớp oxit 𝑇𝑜𝑥 Vùng bão hòa • Xét điểm kênh cách cực nguồn khoảng 𝑥 • Gọi 𝐿 độ dài kênh; điện áp cực cửa cực máng 𝑉𝐺 𝑉𝐷 • Điện áp 𝑣𝑥 điểm kênh so với cực nguồn tăng dần phía cực máng D • Điện áp 𝑣𝐺𝑥 cực cửa điểm kênh giảm dần phía cực máng D 𝒗𝑮𝒙 𝒗𝑮𝒙 Vùng bão hòa • Do điện áp 𝑣𝐺𝑥 cực cửa điểm kênh giảm dần phía cực máng D nên độ dày kênh giảm dần phía cực máng • Điều kiện để tạo nên kênh: 𝑣𝐺𝑥 > 𝑉𝑇𝑁 • Nếu giữ 𝑉𝐺𝑆 khơng đổi tăng 𝑣𝐷𝑆 đến giá trị điện áp 𝑉𝐷𝑆 cho điện áp 𝑉𝐺𝐷 bắt đầu nhỏ điện áp ngưỡng kênh bị cực máng Hiện tượng gọi thắt kênh (pinch-off) 𝒗𝑮𝒙 Vùng bão hòa • Điện áp 𝑣𝐷𝑆 xảy thắt kênh cực máng ký hiệu 𝑉𝐷𝑆𝐴𝑇 : 𝑉𝐺𝐷 = 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝐷𝑆𝐴𝑇 = 𝑉𝑇𝑁 ⇒ 𝑉𝐷𝑆𝐴𝑇 = 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 • Nếu tiếp tục tăng 𝑣𝐷𝑆 điểm cực máng có điện áp 𝑉𝐺𝑥 giảm xuống 𝑉𝑇𝑁 kênh bị thắt: 𝑉𝐺𝑥 = 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑥𝑝.𝑜 = 𝑉𝑇𝑁 ⇒ 𝑉𝑥𝑝.𝑜 = 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 • Như vậy, điện áp 𝑣𝐷𝑆 tăng điểm thắt kênh dịch chuyển dần phía cực nguồn Vùng bão hòa • Điện áp 𝑣𝐷𝑆 xảy thắt kênh cực máng ký hiệu 𝑉𝐷𝑆𝐴𝑇 : 𝑉𝐺𝐷 = 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝐷𝑆𝐴𝑇 = 𝑉𝑇𝑁 ⇒ 𝑉𝐷𝑆𝐴𝑇 = 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 • Nếu tiếp tục tăng 𝑣𝐷𝑆 điểm cực máng có điện áp 𝑉𝐺𝑥 giảm xuống 𝑉𝑇𝑁 kênh bị thắt: 𝑉𝐺𝑥 = 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑥𝑝.𝑜 = 𝑉𝑇𝑁 ⇒ 𝑉𝑥𝑝.𝑜 = 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 • Như vậy, tương xảy cực máng điện áp 𝑣𝐷𝑆 tăng điểm thắt kênh dịch chuyển dần phía cực nguồn Vùng bão hòa • Điện áp điểm thắt kênh cực nguồn S không đổi: 𝑉𝑥𝑝.𝑜 = 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 • Khi điện tử dịch chuyển đến điểm thắt kênh điện trường tiếp xúc vùng nghèo tiếp giáp B-D sang cực máng D, sinh dòng 𝑖𝐷 • Khi bắt đầu xảy tượng thắt kênh cực máng, MOSFET bắt đầu hoạt động vùng bão hòa dòng máng xem khơng đổi • MOSFET hoạt động vùng bão hòa 𝑣𝐷𝑆 đủ lớn thỏa mãn điều kiện: 𝑣𝐷𝑆 ≥ 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 Đặc tuyến MOSFET kênh n Đặc tuyến 𝑖𝐷 − 𝑣𝐷𝑆 MOSFET phân thành vùng: • Vùng ngắt: 𝑣𝐺𝑆 < 𝑉𝑇𝑁 • Vùng tuyến tính: 𝑣𝐷𝑆 < 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 • Vùng bão hòa: 𝑣𝐷𝑆 ≥ 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 𝑉𝐺𝑆 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 Thắt kênh cực máng Vùng ngắt (𝑣𝐺𝑆 < 𝑉𝑇𝑁 ) 4.5 MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA MOSFET Mơ hình tốn học MOSFET kênh n • Đối với vùng tuyến tính 𝑣𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 ≥ 𝑣𝐷𝑆 ≥ 0: 𝑣𝐷𝑆 𝑖𝐷 = 𝐾𝑛 𝑣𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 − 𝑣𝐷𝑆 , 𝑊 𝜇𝑛 𝐶𝑜𝑥 𝐿 với 𝐾𝑛 = - hệ số hỗ dẫn (𝐴/𝑉2 ); 𝜇𝑛 - độ linh động điện tử; 𝐶𝑜𝑥 - điện dung cực cửa • Đối với vùng bão hòa 𝑣𝐷𝑆 ≥ 𝑣𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 ≥ 0: 𝑖𝐷 = 𝐾𝑛 𝑣𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 2 4.5 ĐẶC TUYẾN CỦA MOSFET Đặc tuyến MOSFET kênh n • Đối với vùng tuyến tính 𝑣𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 ≥ 𝑣𝐷𝑆 ≥ 0: 𝑣𝐷𝑆 𝑖𝐷 = 𝐾𝑛 𝑣𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 − 𝑣𝐷𝑆 • Đặc tuyến 𝑖𝐷 − 𝑣𝐷𝑆 vùng có dạng parabol với đỉnh tại: 𝑊 𝜇𝑛 𝐶𝑜𝑥 𝐿 𝐼𝐷𝑚𝑎𝑥 = 𝑣𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 𝑉𝐷𝑆 = 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 • Khi 𝑣𝐺𝑆 tăng: 𝐼𝐷𝑚𝑎𝑥 ∝ 𝑣𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 2 Điểm thắt kênh cực máng D Đặc tuyến MOSFET kênh n • Đối với vùng tuyến tính, 𝑣𝐺𝑆 − 𝑣𝐷𝑆 𝑉𝑇𝑁 ≫ ≥ 0: 𝑊 𝑖𝐷 ≅ 𝜇 𝑛 𝐶 𝑣𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 𝑣𝐷𝑆 𝑜𝑥 𝐿 ⇒ đặc tuyến xem tuyến tính • Điện trở 𝑅𝑜𝑛 : −1 𝜕𝑖𝐷 𝑅𝑜𝑛 = = 𝑊 𝜕𝑣𝐷𝑆 𝜇𝑛 𝐶𝑜𝑥 (𝑣𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 ) 𝐿 Đặc tuyến MOSFET kênh n • Đối với vùng bão hòa 𝑣𝐷𝑆 ≥ 𝑣𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 ≥ 0: 𝑖𝐷 = 𝐾𝑛 𝑣𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 2 ⇒ dòng máng khơng đổi giá trị 𝑉𝐺𝑆 cố định 𝐼𝐷𝑆𝐴𝑇 = 𝐾𝑛 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 2 4.6 CÁC HIỆU ỨNG TRONG MOSFET Điều chế độ dài kênh • Trong vùng bão hòa, tăng 𝑣𝐷𝑆 lớn 𝑣𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 , điểm thắt kênh dịch chuyển dần phía cực nguồn S, khiến cho độ dài kênh giảm, dẫn đến dòng 𝑖𝐷 tăng thay bão hòa Hiệu ứng gọi điều chế kênh (channel length modulation) • Khi đó, dòng máng xác định bởi: 𝑖𝐷 = 𝐾𝑛 𝑣𝐺𝑆 − 𝑉𝑇𝑁 + 𝜆𝑣𝐷𝑆 , −1 với 𝜆 – hệ số điều chế độ dài kênh (0 𝑉 ≤ 𝜆 ≤ 0.2 𝑉−1 ), tỉ lệ nghịch với độ dài kênh 𝐿 Hiệu ứng thân đế • Khi 𝑣𝑆𝐵 = 0, MOSFET hoạt động linh kiện cực • Khi 𝑣𝑆𝐵 ≠ 0, điện áp ngưỡng 𝑉𝑇𝑁 bị ảnh hưởng, dẫn đến đặc tuyến thay đổi Hiệu ứng gọi hiệu ứng thân đế (body effect) • Điện áp ngưỡng xác định bởi: 𝑉𝑇𝑁 = 𝑉𝑇𝑂 + 𝛾 𝑣𝑆𝐵 + 2𝜙𝐹 − 2𝜙𝐹 , với 𝑉𝑇𝑂 - giá trị 𝑉𝑇𝑁 𝑣𝑆𝐵 = 0; 𝛾 – hệ số hiệu ứng thân đế; 2𝜙𝐹 - hệ số điện bề mặt ... • Vùng ngắt tương ứng với điện áp