Bài giảng Transistor trong mạch IC - Lê Tuấn

Nội dung text: Bài giảng Transistor trong mạch IC - Lê Tuấn

1. TRANSISTOR TRONG MẠCH IC Biên soạn: TS. Lê Tuấn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
2. 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 2
3. TRANSISTOR LƯỠNG CỰC
4. Kiến thức cơ sở về transistor lưỡng cực • Cấu trúc: giống như hai diode p-n nối xoay đầu vào nhau E B C n p n transistor n-p-n E B C p n p transistor p-n-p • Chế độ điện áp VBC Vùng tích cực Vùng bão hòa ngược (Saturation) (Reverse active) VBE Vùng tích cực Vùng cắt thuận Cut-off (Forward active) 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 4
5. Transistor lưỡng cực ở chế độ tích cực thuận • Giản đồ năng lượng • Các thành phần dòng điện 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 5
6. • Ví dụ với transistor lưỡng cực p-n-p trong chế độ điện áp thuận 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 6
7. Profile phân bố tạp chất trong transistor lưỡng cực • Cấu trúc thực tế của transistor lưỡng cực đơn (a) và planar trong mạch IC (b). • Profile phân bố tạp chất trong transistor - Emitter cấy ion - Transistor nhiều emitter 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 7
8. Sự co hẹp bề rộng vùng cấm • Đối với bán dẫn pha tạp mạnh, năng lượng hiệu dụng ion hóa tạp chất giảm giá trị Đối với bán dẫn loại n Đối với bán dẫn loại p • Nồng độ hiệu dụng hạt tải thuần 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 8
9. Dòng collector IC 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 9
10. Dòng collector IC (tiếp) • Mật độ dòng collector bão hòa • Số cơ sở Gummel  theo de Graaff Tất cả các thông tin của vùng cực gốc đều phải có mặt trong GB. Do đó, dòng collector là hàm số chỉ của các thông số vùng cực gốc. Một cách định nghĩa khác của số cơ sở Gummel  theo Gummel 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 10
11. Dòng base Giả thiết: Toàn bộ dòng base là do các lỗ trống được tiêm vào vùng cực gốc – base (bỏ qua sự tái hợp tại vùng nghèo của chuyển tiếp emitter – base và tại vùng trung hòa của cực gốc) trường hợp emitter pha tạp đồng đều Số Gummel cho emitter: Mật độ dòng base bão hòa: 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 11
12. Hệ số khuếch đại dòng • Hệ số khuếch đại dòng emitter tổng cộng: (giả thiết cả base và emitter được pha tạp đồng đều và các dòng tiêm không đáng kể) • Hệ số khuếch đại dòng base tổng cộng: 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 12
13. Các đặc trưng một chiều • Đồ thị giá trị các số Gummel • Đặc trưng I-V 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 13 VBE (V)
14. Các điện trở nối tiếp vùng emitter và base • Sự thay đổi hiệu điện thế đặt vào chuyển tiếp emitter – base VBE do điện trở nối tiếp (VBE ảnh hưởng lớn tới đặc tuyến ra IC – VCB của transistor) Các biểu thức có chứa VBE đều phải thay bằng V’BE: - Đối với dòng base, thay đổi thừa số - Đối với dòng base, thay đổi thừa số và số Gummel cho vùng base 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 14
15. Biến điệu độ rộng vùng base (hiệu ứng Early) Giá trị điện áp VCB tăng gây ra: Sự gia tăng độ rộng vùng điện tích không gian của chuyển tiếp collector – base. Kích thước vùng trung hòa điện tích của base WB bị giảm đi. Số Gummel cho vùng base giảm đi. Tăng dòng collector • Hiệu ứng Early và thế Early VA VCE có giao điểm với đường ngoại suy của IC. Giá trị VA càng nhỏ thì hiệu ứng Early càng mạnh. 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 15
16. Dòng collector ở mức tiêm hạt dẫn cao • Ở mức tiêm hạt dẫn cao vào vùng base mật độ dòng JC giảm đi – Nồng độ lỗ trống tăng trong vùng base. – Xuất hiện hiệu ứng biến điệu độ dẫn vùng base. – Xuất hiện hiệu ứng Kirk ( = hiệu ứng tăng chiều dài vùng base). • Hiệu ứng biến điệu độ dẫn vùng base tại mức tiêm hạt dẫn cao + Ở điều kiện cân bằng: xB0NB = xC0NC + Khi có mặt các hạt dẫn linh động: xB(NB + Δn) = xC(NC – Δn) với: Δn = JC/qvsat 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 16
17. Dòng collector ở mức tiêm hạt dẫn cao (tiếp) • Hiệu ứng Kirk: – Xuất hiện ở mức tiêm hạt dẫn rất cao (phép gần đúng nghèo không còn đúng). – Nồng độ các hạt tải động bằng hoặc lớn hơn nồng độ tạp chất. – Vùng điện tích không gian trở nên trung hòa về điện: kích thước vùng base mở rộng. 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 17
18. Dòng collector ở mức tiêm hạt dẫn cao (tiếp) Nồng độ lỗ trống Nồng độ electron 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 18
19. Dòng dò base • Dòng base gây ra bởi các quá trình phát sinh – tái hợp (G – R) – Dòng G-R do các tâm sai hỏng khối trong Si được bỏ qua. – Dòng G-R gây ra bởi các bẫy trên mặt phân cách của chuyển tiếp là đáng kể – Nếu trong số bẫy bề mặt còn gồm có các tâm ở vùng chuyển tiếp E-B, dòng base tỷ lệ theo IB ~ exp(qVBE/2kT) • Dòng base gây ra bởi các quá trình tunnel – Đối với các vùng emmiter (E) và base (B) pha tạp mạnh, xác suất tunnel tăng lên. – Ngoài pha tạp mạnh, các bẫy cũng làm tăng xác suất tunnel. – IB ~ exp(qVBE/2kT) 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 19
20. Điện áp đánh thủng • BVCBO: điện áp đánh thủng collector-base với emitter mở • BVEBO: điện áp đánh thủng emitter-base với collector mở Đánh thủng diode • BVCEO: điện áp đánh thủng collector-emitter với base mở • BVCES: điện áp đánh thủng collector-emitter với base nối tắt tới emitter • BVCER: điện áp đánh thủng collector-emitter với base nối qua điện trở tới emitter Đánh thủng transistor 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 20
21. Thế đánh thủng C-E BV BVCEO BVCES BVCER VCE VCE VCE + + + - - - RB Ion hóa do va chạm RS IBF IBA đối với BVCEO đối với BVCER ICA đối với BVCES n p n 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 21
22. Hệ số đánh thủng thác lũ M (Avalanche Multiplication Factor) Emitter chung Base chung Input: emitter Input: base Output: collector Output: collector Hệ số khuếch đại Hệ số khuếch đại dòng điện: dòng điện: 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 22
23. Quan hệ giữa BVCEO và BVCBO 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 23
24. Dòng base ngược • Các lỗ trống sinh ra trong quá trình đánh thủng thác lũ thoát ra qua vùng base Dòng hiệu dụng base giảm đi Đối với đánh thủng thác lũ rất mạnh, dòng lỗ trống sinh ra do đánh thủng thác lũ trở nên lớn hơn dòng base bình thường chiều của dòng base thay đổi ngược lại 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 24
25. Cấu trúc transistor lưỡng cực hiện đại 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 25
26. Ảnh SEM mặt cắt ngang của transistor lưỡng cực hiện đại C B E STI SiGe base DT 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 26
27. SiGe Heterojunction Bipolar Transistor (HBT) e- EC SiGe Si Base Emitter EV Si Collector • Điện trường trong vùng base (30~50 kV/cm) – Thời gian đi qua vùng base giảm cải thiện tốc độ làm việc • Tăng nồng độ ni trong vùng base – Làm tăng IC tăng hệ số khuếch đại dòng điện Cho phép pha tạp vùng base cao hơn giảm RB/ giảm NFmin hay giảm WB . 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 27
28. 375 GHz SiGe HBT • Tần số cắt dòng fT=375GHz (fT: tần số khi hệ số khuếch đại dòng điện bằng 1) • Tần số cắt công suất fmax=210GHz (fmax: tần số khi hệ số khuếch đại công suất bằng 1) 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 28
29. So sánh với các linh kiện RF khác 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 29
30. 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 30
31. MOSFET KÊNH DÀI
32. Sơ đồ MOSFET 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 32
33. Các thông số chính chứa V(y) của cấu trúc MOS V(y) là giả thế Fermi dọc theo kênh dẫn chiều dài L của cấu trúc MOSFET. Tại cực nguồn V(0) = 0, tại cực máng V(L) = Vds Nồng độ điện tử tại một điểm bất kỳ (x,y) trên kênh dẫn: Cường độ điện trường tại điểm (x,y) được xác định theo công thức: Thế bề mặt ở thời điểm bắt đầu chế độ đảo mạnh: Chiều rộng cực đại của vùng nghèo: 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 33
34. Biến thiên dòng máng Ids của MOSFET Gần đúng kênh biến đổi (Gradual Channel Approximation) Từ biểu thức mật độ dòng (tính cả dòng khuếch tán và dòng trôi): Và mật độ điện tích lớp đảo: Dòng máng Ids có thể xác định bằng biểu thức: 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 34
35. Mật độ điện tích lớp đảo Qi Trường hợp tụ MOS Trường hợp MOSFET Đơn giản đặt ψS = 2 ψB ψS = 2 ψB + V 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 35
36. Biểu thức Ids (tiếp) Điện thế ngưỡng: Ghi chú: Trong khi biến đổi ta đã sử dụng phân tích hàm số thành chuỗi Taylor ở lân cận x=0 đến bậc 2: 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 36
37. Dòng máng Ids tại các vùng tuyến tính và bão hòa Vùng tuyến tính (Vds nhỏ): Do Vds << Vg – Vt nên có thể bỏ qua phần chứa ) DS Log (I Vùng bão hòa (Vds đủ lớn): Ký hiệu: V ù n g t Ta có biểu thức: u y ế n 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 37 t í n h ( V d s n h ỏ ) : D o V d s < < V g – V t n ê n t h à n h p h ầ n v ớ i c ó t h ể b ỏ q u a
38. Dòng máng bão hòa Idsat Ở vùng bão hòa, dòng máng tỷ lệ bậc hai với Vds, thể hiện qua phần các đường Ids(Vds): Điều kiện cực trị tại Vds = Vdsat: Ids đạt giá trị cực đại tại đỉnh parabole, với Vdsat = (Vg – Vt)/m và phụ thuộc vào giá trị của Vg: 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 38
39. Tóm tắt về dòng điện MOSFET • Gần đúng kênh dẫn biến đổi: • Gần đúng mật độ điện tích: Vùng tuyến tính Vùng bão hòa Vùng pinch-off 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 39
40. Sự phụ thuộc tuyến tính của Qi vào V(y) Cox 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 40
41. MOSFET trong các chế độ hoạt động khác nhau Vùng tuyến tính Vùng bão hòa (Vds >Vdsat) Bắt đầu bão hòa 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 41
42. Phân bố V(y) và Qi(y) dọc theo kênh dẫn Thay thế biểu thức của Ids, ta có: V Gần đúng kênh biến đổi không còn chính xác 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 42
43. Dòng máng với giá trị Vdsat chính xác hơn Tại tiến tới giá trị cực đại Ta đã sử dụng phép gần đúng Một cách chính xác, Vdsat là giá trị điện thế V sao cho điện tích lớp đảo Qi = 0 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 43
44. Dòng điện máng dưới ngưỡng Vds 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 44
45. Dòng điện máng dưới ngưỡng (tiếp) Biểu thức dòng máng dưới ngưỡng trở thành: Độ dốc dòng máng dưới ngưỡng ) DS Log (I 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 45
46. Ảnh hưởng của đế (Body effect) Mật độ điện tích lớp đảo bị ảnh hưởng của điện thế đế VB: Vox Qdm Để hiểu rõ bản chất vật lý, xét vùng cực nguồn (source region), Vox không đổi, nhưng và Qdm đều tăng khi có Vbs. 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 46
47. Ảnh hưởng của đế (Body effect)-(tiếp) Dòng máng: Điện áp ngưỡng: Điện thế đế có gây ảnh hưởng rõ rệt 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 47
48. Sự phụ thuộc nhiệt độ của Vt Example) 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 48
49. Độ linh động của hạt tải điện trong kênh dẫn Electron Hole 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 49
50. Hiệu ứng hạ thấp rào thế do dòng máng (Drain Induced Barrier Lowering – DIBL) • Rào thế nguồn – máng bị hạ thấp trong các MOSFET kênh ngắn (SCD) • Tác dụng của điện thế cực máng được nhận rõ hơn đối với SCD Vt phụ thuộc mạnh hơn vào Vds đối với SCD Đối với các trường hợp cực điểm, Vg không còn tác dụng chế độ ‘punch- through’ 6/14/2021 Đại học Bách khoa Hà Nội 50