PP Chương 2. quá là hay luôn hiihooo pdf

lalala

1. CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
➢Cơ sở vi điện tử, công nghệ MOS
➢Các thuộc tính điện cơ bản của mạch MOS

2. 2.1. Cơ sở vi điện tử, công nghệ MOS
•Giới thiệu công nghệ IC
•Transistor MOS
•Hoạt động của MOS transitor
•Chế tạo nMOS và pMOS

3. 2.1.1. Giới thiệu công nghệ IC
•IC_ Integrated circuits: Chip (Mạch tích hợp) có nhiều
transistor, sản phẩm của kỹ thuật vi điện tử bán dẫn.
•VLSI_Very Large Scale Integration: Mạch tích hợp
mật độ rất cao.
•CôngnghệCMOS(Complementary Metal Oxide
Semiconductor) làmộtcôngnghệrấtquantrọngvà
đầyhứahẹntronglĩnhvựcthiếtkếVLSI

4. 2.1.2. Transistor MOS
✓Cơsởlýthuyết:
•Nguyêntốsilicon,germani…đượcsửdụngrộngrãinhấtlàm
chấtbándẫntrongcáclinhkiệnđiệntử.
•Từcácchấtbándẫnbanđầucóthểtạorahailoạibándẫn:N,P.
•GhépcácmiếngbándẫnloạiNvàPlạitathuđượcDiodehay
Transistor…

5. 2.1.2. Transistor MOS
Bán dẫn pha tạp:
Chất bán dẫn loại P:
Chất bán dẫn loại P (bán dẫn dương) có tạp chất là các nguyên
tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống.

6. 2.1.2. Transistor MOS
Bándẫnphatạp:
ChấtbándẫnloạiN:
ChấtbándẫnloạiN(bándẫnâm)cótạpchấtlàcácnguyêntố
thuộcnhómV,dẫn điện chủ yếu bằngelectron.

7. 2.1.2. Transistor MOS
✓TinhthểSiliconSi
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
As
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
B
Si
Si
Si
Si
-
+ -
+
(a) (b) (c)

8. 2.1.2. Transistor MOS
✓TiếpgiápP–NAnode Cathode
p-type n-type

9. 2.1.2. Transistor MOS
•Cấu trúc MOS (Metal-oxide-Semiconductor) được tạo ra bằng
cách chồng thêm vài lớp vật lý dẫn điện và cách điện.
•Công nghệ CMOS cho ta hai loại Transistor: Transistor loại n
(NMOS) và Transistor loại p (PMOS).
•Hoạt động của Transistor dựa trên trường điện nên còn được
gọi là Transistor MOS hiệu ứng trường MOSFET (MOS field-
effect Transistor) hay đơn giản là FET.

10. 2.1.3. Hoạt động của MOS transitor
•NMOS được xây dựng với thân loại p, nguồn (source) và máng
(drain) loại n gần kề với cổng (gate). Thân thường được nối đất (điện
áp chuẩn 0 V).
•PMOS ngược lại, bao gồm các nguồn và mạng loại p với thân loại n.
•CMOS cả hai Transistor đều được sử dụng, một transistor có substrate
là loại n hoặc p. Transistor kia phải được xây dựng trên một well đặc
biệt để làm thân.

11. a. Chế độ làm việc của MOS transistor+
-
Vg < 0
Xét cấu trúc MOS thân p cách ly với cổng nhưng không có
nguồn hoặc máng.
Điện áp âm được đặt vào cổng nên có điện tích âm trên cổng.
Lỗ linh động mang điện dương bị thu hút đến miền bên dưới
cổng. Điều này được gọi là chế độ tích lũy.

12. a. Chế độ làm việc của MOS transistor
Điện áp dương nhỏ được đặt vào cổng, dẫn đến điện tích
dương trên cổng. Lỗ trên thân bị đẩy ra xa khỏi miền ngay bên
dưới cổng, dẫn đến miền suy biến hay miền nghèo hạt mang
điện được hình thành bên dưới cổng.+
-
0 < Vg < Vt

13. a. Chế độ làm việc của MOS transistor
Khi đặt vào cổng điện áp V
g > V
t đặt vào cổng, thu hút nhiều
điện tích dương hơn đến cổng. Lỗ bị đẩy ra xa thêm nữa và
một lượng nhỏ điện tử tự do trong thân bị thu hút đến miền
bên dưới cổng. Lớp này được gọi là lớp nghịch chuyển.+
-
Vg > Vt

14. a. Chế độ làm việc của MOS transistor+
-
Vg < 0
(a)
p-type Body
Silicon Dioxide Insulator
p-type Body
+
-
0 < Vg < Vt
(b)
Depletion region
+
-
Vg > Vt
(c)
Inversion Region
Delpletion Region
3chếđộlàmviệc:
-Chếđộtíchlũy
-Chếđộnghèo
-Chếđộnghịchchuyển

15. a. Chế độ làm việc của MOS transistorn
+
p
n
+
GateSource Drain
Bulk Si
p
+
n
p
+
GateSource Drain
Bulk Si
Polysilicon
SiO2
(a) (b) p(n) Bulk Si

16. b. Chế độ làm việc của NMOS transistor
Chế độ làm việc của Transistor phụ thuộc vào: V
g, V
d, V
s
V
gs = V
g – V
s
V
gd = V
g – V
d
V
ds = V
d – V
s = V
gs - V
gdn+
p
GateSource Drain
bulk Si
SiO
2
Polysilicon
n+
D
0
S V
g
V
s
V
d
V
gd
V
gs
V
ds
+-
+
-
+
-

17. b. Chế độ làm việc của NMOS transistorn
+
+
-
Vgs = 0
p-type Body
n
+
+
-
Vgd
g
s d
b
•V
gs < V
t: không hình miền nghịch chuyển
•I
ds = 0: không có dòng điện chạy qua
•Chế độ ngưng (cutoff). Transistor tắt (OFF)

18. b. Chế độ làm việc của NMOS transistor
•V
gs > V
t.Hình thành kênh dẫn giữa hai cực nguồn máng.
•V
ds=V
gs–V
gd.
•NếuV
ds=0(nghĩalàV
gs=V
gd): I
ds = 0n
+
+
-
Vgs > Vt
p-type Body
n
+
+
-
Vgd = Vgs
g
ds
b
Vds = 0

19. b. Chế độ làm việc của NMOS transistorn
+
+
-
Vgs > Vt
p-type Body
n
+
+
-
Vgs > Vgd > Vt
g
ds
b
0 < Vds < Vgs - Vt
Ids
•V
ds> 0: I
ds > 0
•0 < V
ds < V
gs – V
t thỏa mãn V
gd > V
t: I
ds> tăng
•Chếđộtuyếntính. Transistor mở (ON)

20. b. Chế độ làm việc của NMOS transistor
•NếuV
ds>V
gs–V
tlúcnàyV
gd<V
t:I
dsbãohòa.
•Transistorlàmviệctrongchếđộbãohòan
+
+
-
Vgs > Vt
p-type Body
n
+
+
-
Vgd < Vt
g
ds
b
Vds > Vgs - Vt
Ids

21. b. Chế độ làm việc của NMOS transistorn+
p
GateSource Drain
bulk Si
SiO
2
Polysilicon
n+
D
0
S
•NếuV
gs<V
t:Chếđộngưng(cutoff).
•NếuV
gs>V
tvàV
dsnhỏ:Chếđộtuyếntính(Linear).
•NếuV
gs>V
tvàV
dslớn:Chếđộbãohòa(Saturation).

22. c. Chế độ làm việc của PMOS.SiO
2
n
GateSource Drain
bulk Si
Polysilicon
p+ p+
•Transistor PMOS, hoạt động ngược lại so với
transistor NMOS.
•Hãy trình bày các chế độ làm việc của PMOS?

23. c. Chế độ làm việc của PMOS transistor
•|V
gs| < V
t: không hình miền nghịch chuyển
•I
ds = 0: không có dòng điện chạy qua
•Chế độ ngưng (cutoff). Transistor tắt (OFF)Vgs = 0
n
g
s d
p+ p+
+
-
+
-
Vgd

24. c. Chế độ làm việc của PMOS transistor
•|V
gs| > V
t.Hình thành kênh dẫn giữa hai cực nguồn máng.
•V
ds=V
gs–V
gd.
•NếuV
ds=0(nghĩalàV
gs=V
gd): I
ds = 0n
g
s d
p+ p+
+
-
+
-
Vgd =Vgs
|Vgs| > Vt
Vds =0

25. c. Chế độ làm việc của PMOS transistor
•|V
ds| > 0: I
ds > 0
•0 < |V
ds| < |V
gs – V
t| thỏa mãn |V
gd| > V
t: I
ds> tăng
•Chếđộtuyếntính. Transistor mở (ON)n
g
s d
p+ p+
+
-
+
-
Vgs > Vgd >Vt
|Vgs| > Vt
0 < |Vds|<|Vgs - Vt|
Ids

26. c. Chế độ làm việc của PMOS transistor
•Nếu|V
ds|>|V
gs–V
t|lúcnày|V
ds|<|V
t|:I
dsbãohòa.
•Transistorlàmviệctrongchếđộbãohòan
g
s d
p+ p+
+
-
+
-
|Vgd |< Vt
|Vgs| > Vt
0 < |Vds|> |Vgs - Vt|

27. b. Chế độ làm việc của PMOS transistor
•Nếu|V
gs| <|V
t|:Chếđộngưng(cutoff).
•Nếu|V
gs| >|V
t|vàV
dsnhỏ:Chếđộtuyếntính(Linear).
•Nếu |V
gs| >|V
t| vàV
dslớn:Chếđộbãohòa(Saturation).SiO
2
n
GateSource Drain
bulk Si
Polysilicon
p+ p+

28. Ký hiệu các transistord
s
OFF
g = 0 d
s
ON
g = 1 g
d
s
nMOS g
d
s
pMOS d
s
ON d
s
OFF

29. 2.1.4. Chế tạo nMOS và pMOS
Bàitập:
TươngtựcácbướcthựchiệnvớicổngđảoCMOS,và
cấutạo,nguyênlýlàmviệcCMOS,NMOSvàPMOS.
Hãythựchiệnchếtạo:
1.CácmạchNMOSvàPMOS
2.CổngđảoCMOSvớichấtnềnloạin.
(vẽhìnhvànêucácbướcthựchiện).

30. QuytrìnhchếtạoTransistorCMOS
•Giaiđoạn1:TạogiếngloạiNhoặcPtùytheochấtnền.
•Giaiđoạn2:TạovùngchoNMOS,PMOS.
•Giaiđoạn3:TạocáccựcGatechoNMOSvàPMOSbằng
polysilicon.
•Giaiđoạn4:TạocáccựcSourcevàDrainchoNMOSvà
PMOS.
•Giaiđoạn5:TạoContactchocáccựccủaNMOSvàPMOS
và tạocácđườngMetal.
Hướng dẫn bài tập

31. Hướng dẫn bài tập

32. Hướng dẫn bài tập

33. Hướng dẫn bài tập

34. Hướng dẫn bài tập

35. Hướng dẫn bài tập

36. Hướng dẫn bài tập

37. Hướng dẫn bài tập

38. 2.2. Các thuộc tính điện của mạch MOS
2.2.1. Quan hệ giữ dòng điện và điện áp
2.2.2. Điện áp ngưỡng của MOS transitor
2.2.3. Độ hỗ dẫn
2.2.4. nMOS đảo
2.2.5. CMOS đảo
2.2.6. Thuộc tính của transitor npn lưỡng cực

39. 2.2.1. Quan hệ giữ dòng điện và điện áp
Transistor MOS có 3 miền hoạt động:
•Miền ngưng (cutoff).V
gs<V
t
•Miền tuyến tính. V
gs>V
tvà0<V
ds<V
gs–V
t
•Miền bão hòa.V
gs>V
tvàV
ds>V
gs-V
t

40. 2.2.1. Quan hệ giữ dòng điện và điện ápn
+
n
+
tox
p-type Body
L
W
SiO2 Gate Oxide
(insulator, εox = 3.9ε0)
ε
ox Hằng số điện môi của SiO
2
ε
0 Hằng số điện môi của chân không, ε
0 = 8,85 x 10
-14
F/cm
t
ox Độ dày lớp oxide cổng SiO
2 ox oxox
Ct=
Điện dung mỗi đơn vị điện tích lớp SiO
2

41. 2.2.1. Quan hệ giữ dòng điện và điện ápn+ n+
p-type body
+
V
gd
gate
+ +
source
-
V
gs
-
drain
V
ds
channel
-
V
g
V
s
V
d
C
g channel
QCV= g ox ox
ox
WL
CC CWL
t
=== ds
gc t gs t
V
VVVV V
2

=−=−−

 gc g c
VVV=− 2 2 2
s d s s ds ds
cs
VVVVVV
VV
+++
== =+ 22
ds ds
gc g s gs
VV
VVVV=−−=− n
+
n
+
tox
p-type Body
L
W
SiO2 Gate Oxide
(insulator, εox = 3.9ε0)

42. 2.2.1. Quan hệ giữ dòng điện và điện áp
•ĐiệntrườngEgiữanguồnvàmáng:
•Vậntốchạtmangđiệnvtỷlệthuậnvớiđiệntrường
biênE:
•Thời gian cần có để hạt mang điện đi ngang qua
kênh:.vE= ds
V
E
L
= L
t
v
=

43. 2.2.1. Quan hệ giữ dòng điện và điện áp
•Dòngđiệnquakênhđượcxácđịnh:ox
2
ds
gs t ds
VW
CVVV
L


= −−

 ox
=
W
C
L
 channel
ds
Q
I
t
= 2
ds
gs t ds
V
VVV

=−−

 2
s
s
s
2
.
2
.
2
.
22
g ox
channel
ds
gs t
ds
channel ox gs t
d
d
ds d ds
ds ox gs t ox gs t ds
CCCWL
QCV V
VVV
LLLL V
t QCWLVV
VvE V
L
VVWV
ICWLVV CVVV
LL




==
=
=−−

==== = −−


   
= −−= −−
   
   

44. 2.2.1. Quan hệ giữ dòng điện và điện áp
•Ởchếđộbãohòa:2
dsat
gs t dsat
V
VV V

=−−

 channel
ds
Q
I
t
= ( )
2
2
gs t
VV=−
 ds dsat gs t
V V V V = −

45. 2.2.1. Quan hệ giữ dòng điện và điện áp( )
2
cutoff
linear
saturatio
0
2
2
n
gs t
ds
ds gs t ds ds dsat
gs t ds dsat
VV
V
I V V V V V
V V V V



 


= − − 



−



46. 2.2.1. Quan hệ giữ dòng điện và điện áp
Thídụ:
Trongquátrìnhxửlý65nmcủaTransistorNMOSvới
chiềudàitốithiểucủakênhlà50nm(λ=25nm).ChoW/L=
4/2λ,bềdàyoxidelà10,5Å,hằngsốđiệnmôicủachânkhông
8.85x10-14F/cm,độlinhđộngcủađiệntửlà80cm2/V.s.Điện
ápngưỡnglà0.3V.VẽđặctuyếnI-V.
VớiVgs=0;0,2;0,4;0,6;0,8;và1,0.

47. 2.2.1. Quan hệ giữ dòng điện và điện áp
•t
ox = 10,5 Å
•µ = 80 cm
2
/V.s
•V
t = 0.3 V
•W/L = 4/2 λ
•V
gs = 0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 và 1

48. 2.2.1. Quan hệ giữ dòng điện và điện áp
•Tính
•Với
•Vậy:
ox
W
β=μC
L ox
ox
C
ox
t

= -14
2
ox -8 2
F
3,9×8,85×10
W cm W
cm
β=μC = 80 =526
L V.s 10,5×10 cm L
A
V


 
 
 


49. 2.2.1. Quan hệ giữ dòng điện và điện áp
•Vgs = 0; 0,2. Ta có: Ids = 0
•Vgs = 0,4. Ta có: Vdsat = 0,4 - 0,3 =0,1 (V)

•Vgs = 0,6. Ta có: Vdsat = 0,6 - 0,3 =0,3 (V) ( )
2
2526
0,1 2,63( )
22
dsat gs t
I V V A

= − =  = ( )
2
2526
0,3 23,67( )
22
dsat gs t
I V V A

= − =  =

50. 2.2.1. Quan hệ giữ dòng điện và điện áp
•Vgs = 0,8. Ta có: Vdsat = 0,8 - 0,3 =0,5 (V)

•Vgs = 1. Ta có: Vdsat = 1 - 0,3 =0,7 (V) ( )
2
2526
0,5 65,75( )
22
dsat gs t
I V V A

= − =  = ( )
2
2526
0,7 128,87( )
22
dsat gs t
I V V A

= − =  =

51. 2.2.1. Quan hệ giữ dòng điện và điện áp

52. 2.2.2. Điện áp ngưỡng của MOS transitor
•Địnhnghĩa:Điệnápngưỡnglàđiệnáprơitốithiểucần
thiếtđặtlênđôicựcđiềukhiểnđểtạođượcđườngdẫn
điệnqualinhkiện.
•Khi xảy ra hiện tượng đảo ngược: tạo nên một đường
dẫn từ cực D sang S lúc này kênh dẫn được hình thành.
•Điện áp V
GS yêu cầu để tạo ra hiện tượng đảo ngược,
người ta gọi là điện áp ngưỡng (V
th).

53. 2.2.3. Độ hỗ dẫn
•Đặctrưngchomôhìnhtínhiệunhỏngườita
thườngdùnghệsốhỗdẫn(g
m).
•g
mlàhệsốđặctrưngchosựbiếnđổicủadòngđiện
I
DtheođiệnápnhỏđặtvàogiữacựcGvàcựcS.
•g
mthườngđượcdùngđểtínhtoánhệsốkhuếchđại
củatransistor,trởkhángvàoracủatransistor.( )
m OX GS th
W
gCVV
L
=−

54. 2.2.4. nMOS đảo(a)
Vin
Vout
Rload
Vin
Vout
0.1 mA
16/216/2
Các cổng NMOS tổng quát với tải điện trở hoặc tải
nguồn của dòng điện không đổi.

55. 2.2.5. CMOS đảoA
VDD
Y
GND
A Y
(a) (b)

56. 2.2.6. Thuộc tính của transitor npn lưỡng cực C
B
E
B
C
E
N
P
N
B
E
C
(a) (b) (c) C
B
E
B
C
E
P
N
P
B
E
C
(a) (b) (c)
Ba vùng bán dẫn được tiếp xúc kim loại nối dây ra thành ba cực:
- Cực nền: B (Base)
- Cực thu: C (Collector)
- Cực phát: E (Emitter)