Fys2210 Halvlederkomponenter. Kapittel 6 Felteffekt transistorer Forelesning 10

Transkript

1 Fys2210 Halvlederkomponenter Kapittel 6 Felteffekt transistorer Forelesning 10

2 Repetisjon: V T i virkeligheten Forskjell Φ m Φ s 0 Q i defekter/urenheter i oksidet og interface states Figure 6.20 Influence of materials parameters on threshold voltage. (a) the threshold voltage equation indicating signs of the four contributions. (b) variation of V T with substrate doping for n- channel and p-channel n + poly-sio 2 -Si devices.

3 Repetisjon: I D V D karakteristikk for MOSFET

4

5 Sammenlikning av likning 6:49 og 6: N-MOSFET L = 1 µm Z = 10 µm d(sio 2 ) = 10 nm N a = 1x10 15 cm -3 V T = 0.54 V V G = 3 V Eq. (6:49) Eq. (6:50) 2.0 V G = 2 V V D (Volt)

6 Skalering Suksessen til integrerte kretser basert på halvledere skyldes mye at man kan skalere ned komponentene. Moores lov: «Antall transistorer i en IC dobles ca hvert 2. år» Scaling Surface dimensions 1/K Vertical dimensions 1/K Impurity concentrations Current, Voltages 1/K Capacitance Current density Transconductance 1 Circuit delay time 1/K Power dissipation 1/K 2 Power density 1 Power-delay product 1/K 3 K K K

7

8

9 Typical feature size vs tid for Si-DRAM (Moore s lov) Figure 9.3

10 Fys2210 Halvlederkomponenter Kapittel 7 Bipolar transistor Forelesning 10

11

12 Bipolar Junction Transistor (BJT) Gjennombrudd for halvlederelektronikken i1948, oppfinnelsen av transistoren; Bardeen, Brattain og Shockley, Bell Laboratories Både elektroner og hull brukes (injeksjon og oppsamling av minoritetsbærare) bipolar To hovedområder for anvendelse; strømforsterkning og switching; f.eks. mobiltelefoner og satelliter (radiokommunikasjon), datamaskiner og minne Oftest npn-transistorer som brukes på grunn av den høye elektronmobiliteten Normalt raskere enn MOSFET men bruker mer effekt og forskjellen i raskhet har blitt mindre

13 Figure 7.2 Bipolar p-n-p transistor

14 BJT in a nutshell p+ n p Områdene i en BJT kalles Emitter (E), Base (B) og Kollektor (C) I en NPN BJT har man et tynt p-lag mellom to n-type lag I en PNP BJT har man et tynt n-lag mellom to p-type lag Emitter har høyere doping en base og kollektor Base-Emitter-overgangen er forspent Base-Kollektor overgangen er reversspent Strømmen ut av kollektor skyldes injeksjon fra emitter via basen, hvor de diffunderer som minoritetsladningsbærere over til kollektor Kollektor-emitter-strømmen styres av base-emitterstrømmen (strømstyrt), eller base-emitter-spenningen (spenningsstyrt) En liten endring i basestrømmen gir derfor en stor endring i kollektrostrømmen I E I B I C

15 Fluks av e - og h + i BJT Figure 7 3 Summary of hole and electron flow in a p-n-p transistor with proper biasing: (1) injected holes lost to recombination in the base; (2) holes reaching the reverse-biased collector junction; (3) thermally generated electrons and holes making up the reverse saturation current of the collector junction; (4) electrons supplied by the base contact for recombination with holes; (5) electrons injected across the forward-biased emitter junction.

16 Transistoren som forsterker Strømmen fra emitteren som når kollektoren: I E I B p+ n p I C I C = B I Ep B = basetransportfaktoren; angir hvor stor andel av de injiserte hullene som når kollektoren, dvs. ikke rekombinerer i basen

17 Emitterens virkningsgrad beskrives av emittereffektiviteten I B p+ n p I C I E γ = I Ep I Ep + I En

18 W I = I p + I n = konstant Figure 5 17 Electron and hole components of current in a forward-biased p-n junction. In this example, we have a higher injected minority hole current on the n side than electron current on the p side because we have a lower n doping than p doping.

19 I B I E p+ n p I C

20 I B I E p+ n p I C

21

22 Eksempel: τ p = 10μs og τ t = 0.1μs C p 500 Ω B 50kΩ n p 10 V 5 V E

23 Forutsetninger for en god transistor Tynn base diffusjonslengden til e - blir lang relativt til basebredden (W b ), dvs W b << L p, L n og B 1 Emitteren er hardt dopet relativt til basen, som igjen er hardere dopet enn kollektoren. Det betyr at strømmen gjennom EB overgangen hovedsakelig består av e - injisert fra emitteren (γ 1 ) og at god oppsamling av e - skjer ved CB-overgangen (W b (eff) endres ikke)

24 n-p-n BJT Figure 7.5 Base Emitter Collector

25 I-V karakteristikk,; løsning av diff.lign. i basen Antagelser: Ingen driftsstrøm i basen PNP transistor, γ = 1 (perfekt emitter, all emitterstrøm er hullstrøm) 5 = 0 Generasjonsstrømmen i CB overgangen ( 3 ) neglisjeres 1-dimensjonal strømfluks og konstant tverrsnittsareal DC-strøm og spenning (dvs ingen tidsavhengighet, steady-state er konstant)

26 Forspent Revers-spent Figure 7.6 Simplified p-n-p transistor geometry used in the calculations.

27

28 W - + p x n = 0 = p n e qv kt = p n + p n e qv kt 1 p n Figure 5.15 (a): Minority carrier distributions on the two sides of the transition (depletion) region for a forward-biased junction. The figure provides also definitions of distances x n and x p measured from the transition (depletion) region edges.