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Lezione 22 - Studenti di Fisica
Un po’ di storia Fine anni 40 Transistor Bell Labs Fine anni 50 I circuito integrato (JK-FF by Jack Kilby at TI) Inizi anni 60 Small Scale Integration (SSI) :10 transistor in un chip Fine anni 60 Medium Scale Integration (MSI): 100 transistor su un chip Inizio anni 70 Large Scale Integration (LSI): 1000 transistor su un chip Inizio anni 80 VLSI 104 transistor su un chip ( ora 109) Dispositivi a semiconduttore 1 VLSI :low power consumption& dissipation Ok sistemi con controllo in tensione JFET FET: transistor ad effetto di campo MOSFET Rispetto ai transistor bipolari: -dispositivo unipolare -alta impedenza ingresso -coeff.temperatura negativo ( non tutti), cioè al crescere di T la corrente diminuisce. Ne segue maggiore stabilità e uniformità termica -manca storage minoritari ( come pol.diretta transistor bipolari) e quindi tempi commutazione rapidi Dispositivi a semiconduttore 2 JFET Canale conduttivo con 2 contatti ohmici: S e D Il Gate G forma una giunzione con il canale JFET: voltage-controlled resistor L: lunghezza canale VG 0 VD 0 Source a massa: la corrente elettroni verso il drain Dispositivi a semiconduttore 3 JFET a canale n Dispositivi a semiconduttore 4 Caratteristiche saturazione lineare Dispositivi a semiconduttore 5 JFET W(x) W(x) Dispositivi a semiconduttore 6 Dispositivi a semiconduttore 7 JFET: caratteristiche statiche VD , P Dispositivi a semiconduttore 8 dx JFET W(X) dV (x) ID dR(x) 1 dx dx dR(x) S(x) b2(a W (x)) W(X) x 2 W (x) (Vbi VG V (x)) qN D Dispositivi a semiconduttore 9 W (x) 2 (Vbi VG V (x)) qN D W (0) 2 (Vbi VG ) : Dimensione regione svuotamento al source qN D W (L) 2 (Vbi VG VD ) : Dimensione regione svuotamento al drain qN D Pinch - off quando W = a Potenziale di pinch-off Nella regione lineare: qN D a 2 2 VD VD,P VG Vbi Dispositivi a semiconduttore 10 JFET Tensione di pinch-off qN D a 2 2 Vbi VG V (x) dV (x)b2a1 ID dx VD L Vbi VG V (x) ID dx dV (x)b2a1 0 0 b2a 2 1 3/2 3/2 ID VD Vbi VG VD Vbi VG L 3 ID è continua nel canale e quindi Dispositivi a semiconduttore indipendente da x 11 b2a 2 1 3/2 3/2 ID VD Vbi VG VD Vbi VG L 3 b2a gmax : conduttanza max canale per W = 0 L La corrente satura ad un valore IDsat che si ottiene al pinch-off: W a VD,P : tensione di pinch - off Vbi VG VD,P qa 2 N D 2 VD,P VG VT dove : VT Vbi 2 V V bi G ID,sat gmax Vbi VG 1 3 3 Dispositivi a semiconduttore 12 VD VD , P VG Vbi 2 qN D a 2 2 1 3/2 3/2 ID gmax VD Vbi VG VD Vbi VG 3 Vbi VG VD gmax ID gD gmax 1 (a W ) VD a V V V V V ID bi G D bi G gm gmax VG gm: transconduttanza diretta gD: transconduttanza di drain Dispositivi a semiconduttore 13 JFET: caratteristiche statiche VD , P Dispositivi a semiconduttore 14 JFET Onset della saturazione VD VD,P VG Vb,i VG VT V V V ID bi G D gm gmax VG gm,sat gmax 1 V V bi G V V bi G g D,lin gD,lin è la transconduttanza di drain in regime lineare per V Dispositivi a semiconduttore D 0 15 JFET: confronto modello dati Dispositivi a semiconduttore 16 Effetti legati a mobilità cariche: -saturazione velocità drift comporta una riduzione della corrente nel canale e la transconduttanza diminuisce: non si può considerare costante la mobilità -overshoot velocità riduce il tempo di transito in FET a canale corto Risposta in frequenza: -tempo di transito tr=L/E ≈L2/VG e tr=L/vs Per un gate di 1 µm tr≈ 10 ps -effetti capacitivi ft=gm/(2CGS) Dispositivi a semiconduttore 17 Diodo MIS Dispositivi a semiconduttore 18 Diodo MIS =SiO2 =Si Dispositivi a semiconduttore Diodo MOS 19 Diodo MOS 9 eV Dispositivi a semiconduttore 20 Diodo MOS eV0 eS Dispositivi a semiconduttore 21 Diodo p-MOS V=0 Dispositivi a semiconduttore 22 Diodo p-MOS V=0 V>0 Dispositivi a semiconduttore 23 Diodo p-MOS V=0 V>0 V=-V0- S Dispositivi a semiconduttore 24 Diodo p-MOS : reale Svuotamento V=0 Inversione V>0 Bande piatte V=-V0- S Accumulazione V<-V0-S Dispositivi a semiconduttore 25 Diodo p-MOS V=0 Svuotamento V>0 Inversione Non polarizzato V=-V0- S Accumulo V<-V0-S Dispositivi a semiconduttore 26 Diodo p-MOS VT>V>0 Svuotamento V>VT Inversione Non polarizzato V=0 Accumulo V<0 Dispositivi a semiconduttore 27 Diodo p-MOS Ideale VT>V>0 Svuotamento V>VT Inversione Non polarizzato V=0 Accumulo V<0 Dispositivi a semiconduttore 28 Diodo n-MOS Ideale 0>V>-VT Svuotamento V<-VT Inversione Non polarizzato V=0 Accumulo V>0 Dispositivi a semiconduttore 29 Diodo p-MOS Ideale Dispositivi a semiconduttore 30 Dispositivi a semiconduttore 31 Dispositivi a semiconduttore 32 Varactor Dispositivi a semiconduttore 33 MOS Varactor 1 CMOS d O Dispositivi a semiconduttore W (V ) S 1 1 CO C j 34 Elettrostatica MOS Accumulo Svuotamento Inversione Dispositivi a semiconduttore 35 MOSFET : dispositivo a 4 terminali >99% IC sono MOSFET (RAM, flash memory, processori,etc) Annunciata per il prossimo anno la realizzazione di chip con tecnologia 22 nm ( da Technology Review giugno 2010) Dispositivi a semiconduttore 36 Regime di inversione Dispositivi a semiconduttore 37 Diodo p-MOS VT>V>0 Svuotamento V>VT Inversione Non polarizzato V=0 Accumulo V<0 Dispositivi a semiconduttore 38 Nel regime di inversione formazione di un canale in cui il numero di elettroni dipende dalla tensione di gate Dispositivi a semiconduttore 39 I vari regimi (Source a massa e substrato a massa) a) Schema b) Condizione di equilibrio VD=VG= VSB=0 c) Equilibrio con VD=0 ma bias VG d) Non equilibrio VD e VG ≠0 Nella condizione d) il quasi- livello di Fermi delle lacune rimane al livello del bulk mentre quello degli elettroni si abbassa verso il drain Dispositivi a semiconduttore 40 Nel caso di non equilibrio la regione di svuotamento alla superficie è funzione di VD Dispositivi a semiconduttore 41 Caratteristiche Dispositivi a semiconduttore 42 Regione lineare: canale con conduttanza che dipende da VD Al crescere di VD il canale si stringe fino al pinch-off: diminuisce l’inversione ID è costante e la strozzatura del canale si sposta all’indietro. Dispositivi a semiconduttore 43 MOSFET (n channel=pMOS) Dispositivi a semiconduttore 44 MOSFET Dispositivi a semiconduttore 45 MOSFET Dispositivi a semiconduttore 46 MOSFET Dispositivi a semiconduttore 47 Tensione di soglia Dispositivi a semiconduttore 48 Tipi di MOSFET Dispositivi a semiconduttore 49 Normally off Normally on CMOS Dispositivi a semiconduttore 50 Invertitore Dispositivi a semiconduttore 51