TEHNOLOGIA CMOS

TEHNOLOGIA CMOS

Se cere:

Spre deosebire de tranzistoarele bipolare, tranzistoarele cu efect de camp (FET - field effect transistors) controleaza curentul intre canalul dintre terminalul de drena si cel de sursa prin campul electric determinat de tensiunea aplicata pe poarta. Pentru a mentine un camp electric nu avem nevoie de un curent care sa circule. Astfel, avantajul esential al tranzistoarelor cu efect de camp este acela ca intensitatea curentului in terminalul portii este practic nula.

Fig. 2.2. Tranzistoare MOSFET si tipurile bipolare similare acestora.

Tranzistoarele MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) sunt dipozitive electronice cu trei terminale active: poarta G , drena D si sursa S (Fig. 2.2 a). In plus, ele mai au un terminal, legat la substratul pe care a fost realizat tranzistorul, care trebuie mentinut la cel mai coborat (sau ridicat, dupa tipul tranzistorului) potential din circuit. Poarta este izolata cu un strat de oxid de siliciu, astfel incat curentul de poarta este practic nul (putand ajunge chiar la 1 pA) iar curentii de drena si sursa sunt practic egali. Functionarea tranzistorului se bazeaza pe controlul conductantei electrice a canalului intre drena si sursa, control efectuat prin tensiunea poarta-sursa.

3.Zone de lucru si caracteristici specifice

Zonele de lucru ale tranzistorului MOS depind de structura fizica a aparatului. Ideea principala care sta la baza functionarii este implantul a doua zone dopate identic in aproprierea unei insule de substrat. Aceste doua zone dopate sunt conectate la terminalele de sursa si drena. Substratul poate fi de doua feluri, n si p , sau material insulator, depinzand de procesul tehnologic. Terminalul grila este separat de substrat printrun strat subtire de SiO₂. Terminalul bulk este conectat direct la substrat. In continuare se vor exemlpifica zonele de lucru ale tranzistorului nMOS.

O tensiune pozitiva aplicata intre grila si sursa respinge golurile din substrat sub grila. Daca V_GS este mai mare decat tensiunea de prag V_Th, substratul de sub grila se polarizeaza invers si se creeaza un canal intre drena si sursa. Contactul dintre sarcinile de difuzie n si cele din substrat p formeaza o zona de gol care este distribuita in jurul drenei, sursei si in lungul canalului.

Odata ce canalul a fost realizat, este nevoie de o tensiune drena-sursa pentru a accelera electronii catre drena. Curentul este mentinut prin injectare de electroni in canal prin partea sursei si eliminarea lor prin terminalul drenei.

3.1 Zona de taiere.

Daca tensiunea V_GS este mai mica decat tensiunea de prag necesara creeri canalului, curentul prin tranzistor este nul. In zona de taiere, tranzistorul functioneaza asemenea unui contact deschis cu rezistenta mare.

3.2 Zona de trioda.

Tranzistorul MOS functioneaza in aceasta zona cand V_GS este suficient de mare incat sa formeze canalul, dar V_DS este mai mica decat V_DSsat. Conform figurii 3.1 se poate observa existenta contactului ohmic intre drena si sursa. Consideram V_GS > V_Th(tensiunea de prag) astfel incat suprafata de sub oxid este polarizata invers , V_DS > 0 , ducand la aparitia unui curent de drift care va circula de la drena la sursa. Initial vom considera ca potentialul drena-sursa V_DS este suficient de mic incat atat tensiunea de prag cat si latimea stratului de goluri sunt constante. Trebuie calculata capacitatea C`_ox.

Diferenta de potential dintre grila si canal este V_GS - V(y), unde V(y) reprezinta potentialul din figura 3.1. Sarcina / unitatea de arie in stratul polarizat invers este data de relatia:

Sarcina Q`_b este data de relatia:

Fig. 3.1 Sectiune tranzversala a unui tranzistor nMOS in zona de trioda

Sarcina totala din canal, pentru conductia curentului intre drena si sursa este data de diferenta ultimelor doua ecuatii si se poate scrie : (1), unde Q`₁ reprezinta sarcina in canalul polarizat invers.

Rezistenta diferentiala a zonei canalului cu o lungime de dy si latime W este data de relatia: , unde μ_n [cm²/ V∙sec] reprezinta mobilitatea medie a electronilor prin canal;

si inlocuind in relatia (1) obtinem

Definim transconductanta tranzistorului MOS ca fiind (pentru un trnazistor cu canal n ) :

Astfel curentul poate fi obtinut prin integrarea ecuatiei (2) in partea stanga de la 0 la L si partea dreapta de la 0 la V_DS :

sau

pentru V_GS V_Th si V_DS V_GS - V_Th (3)

Aceasta ecuatie este adevarata pentru tranzistorul MOS in zona de trioda. Acesta este cazul in care canalul indus se extinde de la sursa la drena. Continuand putem rescrie ecuatia de mai sus folosind urmatoarea ecuatie :

sau

Pentru tranzistorul pMOS avem urmatoarea ecuatie:

pentru V_SG V_Th si V_SD V_SG - V_Th

3.3 Zona de saturatie

Tensiunea V_DS este mereu mai mica decat V_GS - V_Th astfel ca in niciun punct din canal sarcina este zero. Cand V_DS= V_GS - V_Th , sarcina de sub grila devine zero. Aceasta tensiune dintre drena si sursa o numim tensiune de saturatie V_DS,sat si indica momentul cand sarcina este taiata la suprafata canalului dintre drena si sursa. In plus, crescand tensiunea V_DS nu creste si curentul de drena. Daca aceasta tensiune creste pana cand zona de goluri dintre drena si sursa se extinde, tranzistorul se numeste "punched through". In aceste conditii pot circula numai curenti foarte mari ducand la deteriorarea aparatului. Tensiunea maxima care poate fi aplicata intre drena si sursa unui tranzistor MOS este data de tensiunea "punchthrough" .

Pentru lungimi de canale lungi, tensiunea maxima dintre drena si sursa este data de o tensiune de prabusire a drenei. Cand tranzistorul lucreaza in canalul PINCHED-OFF adica V_DS V_GS - V_Th spunem ca lucreaza in saturatie. Inlocuind V_DS,sat in ecuatia (3) vom obtine ca

pentru V_DSV_GS si V_GS V_Th

Prelucrand ecuatia de mai sus obtinem

Astfel, cu cat latimea stratului de goluri creste o data cu tensiunea V_DS , cu atat va creste si curentul. Acest efect se numeste modularea lungimii canalului. Pentru a determina schimbarea ce are loc la iesirea curentului derivam ecuatia precedenta cu V_DS si obtinem :

unde si se numeste parametru de modelare a lungimii canalului si poate varia de la 0.01 la 0.1;

In final,

Caracteristica I/V :

Transconductanta g_m este calculata conform:

In continuare vom examina cum transconductanta influenteaza nivelele de semnal. Cand v_gs devine comparabila in amplitudine cu V_GS, variatia transconductantei poate fi observata in castigul amplificatorului. Tensiunea drena-sursa poate influenta si ea transconductanta. Daca tensiunea AC este suficient de mica incat v_gs << V_GS si produsul dintre componentele alternative si cele continue este mai mic decat 1 atunci ,

Se observa ca

Transconductanta

Conductanta tranzistorului MOS creste liniar cu I_D cand functioneaza in regiunea de dinaintea tensiunii de prag iar dupa aceasta regiune creste proportional cu I_D. Atunci cand tranzistorul este polarizat in zona de trioda acesta poate fi inlocuit cu un rezistor controlat in tensiune.Expresia rezistentei rezulta facand urmatoarea aproximare liniara (valabila doar pentru valori mici ale lui V_DS):

. Capacitati parazite . Capacitatile jonctiunilor.Capacitatile de suprapunere. Capacitatea canalului

unde,

-C_OLS si C_OLD reprezinta capacitatile de suprapunere ale sursei si drenei create prin suprapunerea grilei peste sursa si drena;

-C_jBS,C_jBD,C_jBCh sunt capacitatile bulk-sursa, bulk- drena , bulk- canal;

-C_Ch - capacitatea canalului.

Toate aceste capacitati sunt parazite si depind de zona de functionare a tranzistorului.

Capacitatile jonctiunii:

;

In aceste ecuatii C_BS0 si C_BD0 depind de concentratia de dopare, iar Ø_0BS si Ø_0BD sunt potentialele intrinseci de suprafata ale potentialelor.

Capacitatile de suprapunere:

Aceste capacitati sunt aproximate cu expresia unor capacitati plane a caror valori sunt calculate :

unde, L_OL reprezinta lungimea de suprapunere. In expresia de mai sus s-a presupus ca regiunea de difuzie si cea de suprapunere sunt egale pe portiunile de sursa si drena ale tranzistorului.

Capacitatile canalului:

Capacitatea canlului poate fi exprimata ca functie de geometria tranzistorului si de capacitatea dintre grila si oxid. Contributia acestei capacitati difera, in functie de zona de lucru a tranzistorului.

Fig. 7.1. Modelul de semnal mic, inalta frecventa, zona de trioda

Modelul de semnal mic, inalta frecventa in zona de saturatie este aratat in urmatoarea figura:

Capacitatile asociate cu modelul de inalta frecventa in zona de saturatie sunt:

Datorita lipsei contactului ohmic intre drena si stratul polarizat invers, capacitatea canalului contribuie doar la capacitatea grila-sursa. La fel se intampla si cu capacitatea canal-bulk. Capacitatea grila-bulk este C_GB0.

Capacitatile parazite ale tranzistorului MOS ce corespund diferitelor zone de lucru sunt prezentate in tabelul de mai jos:

9. Scheme de simulare

Schemele folosite pentru simularea caracteristicilor tranzistorului MOS sunt prezentate in figura 9.1. Cu ajutorul acestor scheme se pot determina caracteristicile de iesire, caracteristicile transconductantei ale tranzistoarelor nMOS si p MOS. Punctul bias este controlat din potentialele tuturor terminalelor.

Simularea caracteristicii de iesire a unui tranzistor nMOS este obtinuta prin reglarea potentialului din drena intre 0V si 3.3 V . Pentru a obtine familia de curbe este necesara o a doua reglare a potentialului. Aceasta se face asupra terminalului de grila si variaza intre 800mV si 1.2 V cu o incrementare de 100mV. Reprezentarea grafica a caracteristicii de iesire a unui tranzistor nMOS este prezentata in figura 9.2. O simulare aproximativ la fel se face si pentru tranzistorul pMOS. Variabila V_Gp variaza intre 2.4 V si 2.6 V cu o incrementare de 50mV. Reprezentarea grafica a caracteristicii de iesire a unui tranzistor pMOS este prezentata in figura 9.3

Simularea caracteristicii transconductantei a unui tranzistor nMOS in zona de saturatie - Simularea arata dependenta curentului din drena de potentialul grila-sursa. A doua variabila modificata este potentialul sursei ( terminalul bulk este legat la masa) si influenteaza valoarea tensiunii de prag. In figura 9.4 se poate observa cum curentul are o variatie parabolica.

Simularea caracteristicii transconductantei a unui tranzistor pMOS in zona de saturatie - Caracteristica transconductantei unui tranzistor pMOS este similara cu cea a unui tranzistor nMOS dar cu conditia ca regula semnelor tuturor potentialelor sa fie respectata. Caracteristica transconductantei este prezentata in figura 9.5.

Fig 9.2 Reprezentarea grafica a caracteristicii de iesire a unui tranzistor nMOS

Fig 9.3 Reprezentarea grafica a caracteristicii de iesire a unui tranzistor pMOS

10. Parametrii de maxim interes

TRANSCONDUCTANTA DE SEMNAL MIC []

Pentru un tranzistor MOS cu canal n avem urmatoarea relatie:

- factor de castig

Pentru un tranzistor MOS cu canal p avem urmatoarea relatie:

TRANSCONDUCTANTA BULK

Transconductanta bulk este definita ca variatia curentului de drena cauzata de o variatie foarte mica a tensiuni bulk-sursa. Curentul de drena depinde de aceasta tensiune prin tensiunea de prag . Astfel , transconductanta bulk este definita conform expresiei de mai jos.

In general, factorul de multiplicare a transconductantei de semnal mic este un ordin de magnitudine mai mic decat unitatea.

REZISTENTA DRENA - SURSA [Ω]

Aceasta rezistenta este definita ca variatie a tenisunii dintre cele doua terminale cauzata de o variatie foarte mica a curentului de drena in jurul punctului bias. Relatia este data de urmatoarea formula:

CAPACITATLIE PARAZITE

Capacitatile jonctiunii:

In aceste ecuatii C_BS0 si C_BD0 depind de concentratia de dopare, iar Ø_0BS si Ø_0BD sunt potentialele intrinseci de suprafata ale potentialelor.

Capacitatile de suprapunere:

Aceste capacitati sunt aproximate cu expresia unor capacitati plane a caror valori sunt calculate :

unde, L_OL reprezinta lungimea de suprapunere. In expresia de mai sus s-a presupus ca regiunea de difuzie si cea de suprapunere sunt egale pe portiunile de sursa si drena ale tranzistorului.

Capacitatile canalului:

Capacitatea canlului poate fi exprimata ca functie de geometria tranzistorului si de capacitatea dintre grila si oxid. Contributia acestei capacitati difera, in functie de zona de lucru a tranzistorului.

LUNGIMEA CANALULUI

Distanta dintre doua regiuni n+ se numeste lungimea canalului notata cu L . Aceasta reprezinta o dimensiune esentiala in stabilirea caracteristicilor electrice ale dispozitivului.

[

LATIMEA CANALULUI

[]

TENSIUNEA DE PRAG [V]

Tensiunea de prag apare atunci cand tensiunea grilei creste de la zero. Cu cat V_G creste, golurile din substratul p sunt puse in miscare, lasand in urma ioni negativi. In aceste conditii nu circula niciun curent pentru ca nu sunt purtatori de sarcina disponibili. Cand potentialul creste destul de mult, electronii circula de la sursa la drena. Astfel se formeaza un canal de purtatori de sarcina iar tranzitorul este "pornit" Valoarea tensiunii V_G pentru care se intampla aceasta se numeste tensiune de prag, V_Th

MOBILITATEA [cm²/V sec]

Mobilitatea reprezinta raportul dintre viteza electronilor si campul electric. Aceasta este folosita in parametrii modelelor BSIM, pentru a realiza caracteristicile tensiune curent ale rezultatelor masurate cu programul SPICE. Pentru dispozitivele cu canal scurt, mobilitatea scade din moment ce viteza purtatorilor de sarcina incepe sa devina saturata. Mobilitatea scade o data cu crestearea temperaturii.

11. Mdelul SPICE al tranzistorului MOS

Pentru a drescrie un tranzistor MOS in SPICE, trebuie sa numaram nodurile si sa precizam parametrii tranzistorului. Orice MOSFET este reprezentat in lista de elemente conform sintaxei:

Mname ND NG NS NB ModName <parameters>

unde,

Mname este numele tranzistorului specificat (trebuie sa inceapa cu litera M),

iar legaturile sunt specificate numerotand nodurile:

ND= numarul specific drenei

NG= numarul specific grilei

NS= numarul specific sursei

NB= numarul specific bulk

ModName este numele modelului ce contine parametrii.

<parameters> sunt o serie de parametrii care dau specificatii asupra tranzistorului :

L - lungimea canalului

W - latimea canalului

AD - zona drenei n+ sau p+

PD - perimetrul drenei n+ sau p+

AS - zona sursei n+ sau p+

PS - perimetrul sursei n+ sau p+

Este important sa stim ca toate dimensiunile trebuiesc specificate, factori utili sunt u=10^-6 sau p = 10^-12.Lungimea canalului , L , si latimea sa, W , pot fi adesea inlocuite cu valori ce influenteaza parametrii. Detalii despre tranzistorul MOS sunt continute in declaratia .MODEL precum celalalte dispozitive active din SPICE. In general declaratia este:

.MODEL ModName <parameter list>

unde informatia dintre < > depinde de modelul tranzistorului folosit. Modelele sunt selectate de specificatia

Level = N

folosita intre < > , iar N este predefinit sa faca referinta catre un set particular de valori si ecuatii. Exita trei valori ale lui N( Level = 1 , 2 , 3 ).

Modul de tratare SPICE pentru capacitatile parazite. Intrucat programul in sine realizeaza o analiza transient (in timp), incrementand variabila timp, capacitatile neliniare sunt usor de inclus in calcule. Valorile "zero-bias" sunt date de CJ , CJSW, CGBO, CGDO si CGSO. Parametrii de gradare MJ si MJSW pot fi modificati in functie de profilul modelului. Informatii despre arie si perimetru sunt incluse in descrierea dispozitivului folosind AD, AS, PD si PS .

Pentru calcularea tensiunii de prag avem urmatorii parametrii in SPICE:

Pentru calcularea transconductantei avem urmatorii parametrii in SPICE: