4.2. TRANZYSTORY UNIPOLARNE Tranzystory unipolarne występują jako przyrządy dyskretne oraz elementy układów scalonych. Prąd nośników jednego typu jest sterowany polem elektrycznym prostopadłym do osi kanału przewodzącego. Istnieją dwa typy tranzystorów unipolarnych: a) złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistors) b) z izolowaną bramką (MOSFET - Metal-Oxide - Semiconductor FET) Tranzystor posiada trzy elektrody: Źródło S (Source) Bramka G (Gate) Dren D (Drain) Między S i D istnieje kanał przewodzący prąd, gdzie prąd zależy od UDS oraz UGS Tranzystory unipolarne łatwiej się wytwarza niż bipolarne a w postaci scalonej zajmują mniej przestrzeni. Charakteryzują się dużą rezystancją wejściową ( ~GΩ) i małymi szumami w porównaniu do bipolarnych. Posiadają jednak mniejszy iloczyn wzmocnienia i szerokości pasma przenoszenia.

4.2.1. Tranzystory unipolarne złączowe (JFET) Na powierzchni bocznej kanału wytwarzane jest złącze p-n JFET z kanałem typu n i wyprowadzonym podłożem symbol graficzny Normalna praca tranzystora następuje dla zaporowej polaryzacji złącza bramka-kanał: W takim przypadku warstwa przejściowa (zubożona) przesłania kanał zmniejszając jego efektywną grubość i grubość ta maleje w miarę wzrostu UGS w kierunku zaporowym.

Dla niewielkiej wartości UDS prąd maleje ze wzrostem ujemnego Tranzystory Unipolarne Dla niewielkiej wartości UDS prąd maleje ze wzrostem ujemnego UGS (obszar omowy). Dla odpowiednio dużego UGS prąd ID = 0 gdyż kanał przewodzący przestaje istnieć. Jest to stan odcięcia (zaciśnięcia), a odpowiednia wartość UGS nazywa się napięciem odcięcia UP (pinch - off voltage). Przy wzroście napięcia UDS rozkład ładunku przestrzennego przestaje być symetryczny (szerszy od strony drenu), gdyż od tej strony silniejsza jest polaryzacja zaporowa (potencjał drenu w stosunku do bramki jest wyższy niż źródła). Prąd ID rośnie coraz wolniej w funkcji UDS (kanał zawęża się). Ostatecznie kanał staje się bardzo cienki i ID nasyca się. Jest to normalny stan pracy (nasycenie) tranzystora polowego.

Napięcie UDS jest wtedy równe: Tranzystory Unipolarne Napięcie UDS jest wtedy równe: UDS = UGS - UP UP - napięcie odcięcia (zaciśnięcia) Jest to tzw. pozorne odcięcie kanału. W zaciśniętym kanale nośniki poruszają się z prędkością nasycenia vm. O wartości prądu decyduje strumień, który uformował się przed zaciśniętym kanałem i napięcie UDS nie wpływa na jego wartość.

4.2.1.1. Charakterystyki statyczne tranzystora JFET Tranzystory Unipolarne 4.2.1.1. Charakterystyki statyczne tranzystora JFET Charakterystyka przejściowa Charakterystyki wyjściowe Wartości stałe dla danego tranzystora IDSS- prąd nasycenia przy zwartej bramce UP - napięcie odcięcia

1 2 Stan pracy dla zakresu liniowego Tranzystory unipolarne Stan pracy dla zakresu liniowego 1 ( 1 ) Stan pracy dla zakresu nasycenia (zaciśnięcia) 2 ( 2 )

Konduktancja przejściowa Tranzystory unipolarne Konduktancja przejściowa czyli jest liniową funkcją napięcia UGS dla zakresu nasycenia. Daje to prosty sposób regulacji wzmocnienia wzmacniacza rezystancyjnego: ku = - gmR Wiele tranzystorów polowych nie ma specjalnie wyróżnionych elektrod drenu i źródła i mogą pracować równie dobrze w połączeniu normalnym i inwersyjnym.

4.2.1.2. Stałoprądowe schematy zastępcze tranzystora JFET Tranzystory unipolarne 4.2.1.2. Stałoprądowe schematy zastępcze tranzystora JFET W obliczeniach przybliżonych dla stanu tranzystora w zakresie nasycenia stosuje się układ zastępczy ze sterowanym źródłem prądowym i odizolowanym zaciskiem wejściowym: Uproszczony schemat zastępczy stałoprądowy Normalnym obszarem pracy tych tranzystorów są jednak układy pośredniej i wielkiej częstotliwości oraz układy multipleksujące. Istotne są więc ich modele dynamiczne.

Małosygnałowy model dynamiczny tranzystora JFET Tranzystory unipolarne Małosygnałowy model dynamiczny tranzystora JFET Cgd, Cgs, Cds - pojemności międzyelektrodowe gm - transkonduktancja 1/gds= rds - rezystancja wyjściowa rDD` , rSS` - szeregowe rezystancje drenu i źródła W ogólności o własnościach dynamicznych tranzystora decydują: reaktancje oraz czas przelotu nośników przez kanał Przykładowy czas przelotu : (czynnik do pominięcia dla częstotliwości do kilku GHz)

4.2.1.3. Tranzystory złączowe MESFET Tranzystory unipolarne 4.2.1.3. Tranzystory złączowe MESFET (Metal-Semiconductor Field- Effect Transistor) W zakresie mikrofalowym Si nie zdaje egzaminu (duży czas przelotu nośników przez obszar czynny). Ruchliwość nośników w GaAs jest ok. 6 razy większa niż w Si. Poza tym niedomieszkowany GaAs jest półizolacyjny (minimalizacja pasożytniczych pojemności międzyelektrodowych). Stąd częst. pracy > 100GHz. Nie można jednak wytworzyć tlenków o małej gęstości stanów powierzchniowych w GaAs i stąd tranzystory ze złączem m-s. Domieszki w kanale ~ 1018cm-3 Długość bramki ~ 0.5µm Jest to tranzystor z kanałem wbudowanym (normalnie przewodzący).

4.2.2. Tranzystory polowe z izolowaną bramką MOSFET Tranzystory unipolarne 4.2.2. Tranzystory polowe z izolowaną bramką MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor) Istnieją dwa typy tranzystorów MOSFET: z kanałem wbudowanym czyli normalnie przewodzące (pracujące ze zubożeniem – depletion mode) z kanałem indukowanym czyli normalnie nieprzewodzące (pracujące ze wzbogaceniem – enhancement mode EMOS) Tranzystory z kanałem indukowanym istnieją również w specjalnych wykonaniach np. jako elementy pamięciowe: FAMOS - z bramką swobodną jako elementy reprogramowalnych pamięci stałych MNOS - z dwuwarstwowym dielektrykiem w nieulotnych pamięciach o dostępie swobodnym.

Tranzystory MOS są podstawą techniki cyfrowej (przemysł komputerowy, telekomunikacja) a także o istotnym znaczeniu w technice analogowej (przetworniki A/D, filtry). Są podstawowym składnikiem komórki pamięci DRAM (tranzystor MOS i kondensator) oraz mikroprocesora. Następuje eksponencjalny wzrost gęstości upakowania elementów w czasie (prawo Moora – czterokrotny wzrost co 3 lata), co jest wynikiem redukcji wymiarów. Gęstość upakowania jednostek pamięci jest 5 – 10 razy większa niż w strukturach logicznych (mikroprocesory) ze względu na powtarzający się layout tranzystorów. 1995r – pamięć 1Gbit DRAM (109 tranzystorów) na pojed. płytce 40cm Si powstaje ok. 400 tych mikrostruktur czyli 4 x 1011 tranzystorów. W ciągu ostatnich 10 lat wyprodukowano więcej tranzystorów MOS niż ziarn ryżu zebrano od początku działalności rolniczej człowieka.

Year Gordon Moore (Prediction) Transistors per chip 10 1960 1965 1970 Tranzystory unipolarne 1960 1965 1970 1975 10 1 2 3 4 5 Year Gordon Moore (Prediction) Transistors per chip 6 7 8 INTEL microprocessors Source: Intel website 1980 1985 1990 1995 2000 Pentium 4

Tranzystory MOS można również podzielić ze względu na typ kanału: z kanałem typu n – decyduje transport elektronów, proces nMOS oraz kanałem typu p – o prądzie decydują dziury, proces pMOS. Obecnie mamy do czynienia z technologią CMOS (Complementary MOS), w której wytwarzane są zarówno tranzystory z kanałem n jak i p. Podstawą realizacji układów impulsowych oraz cyfrowych jest wykorzystanie przełączników w oparciu o tranzystory, przełączanych między stanami odcięcia i przewodzenia, co odpowiada stanom logicznego zera i jedynki. Przejścia między tymi stanami powinny zachodzić w możliwie najkrótszym czasie. Obecnie uzyskuje się czasy przełączania rzędu pikosekund. Podstawową rolę spełnia tu inwerter CMOS, z dwoma tranzystorami komplementarnymi. Jeden tranzystor jest obciążeniem dynamicznym dla drugiego. Tranzystory te przewodzą na przemian.

Layout inwertera CMOS Schemat obwodu Przekrój płytki krzemowej Vdd Vin PMOS Vout Vss Vdd Vin Vout n-well p-substrate NMOS Schemat obwodu Przekrój płytki krzemowej

Od NMOS do CMOS High Low GND Vdd Inwerter NMOS Inwerter CMOS Capacitive load Inwerter NMOS Inwerter CMOS Logika NMOS: wysoka moc przy niskim wyjściu. Inweretr NMOS powoli przełącza się do wysokiego wyjścia. (To samo dla logiki PMOS). Poprawa dla układu CMOS.

Technologia CMOS Przykład: technologia 0.18 mm Cechy tego procesu: 0.12 - 0.18 mm długość bramki, 0.4-0.5 mm odstęp 3 - 3.5 nm tlenek bramkowy (SiO2) 5 - 6 poziomów metalizacji Powyżej 107 transistorów na 1 cm2 struktury

4.2.2.1. Tranzystory z indukowanym kanałem (EMOS) Tranzystory unipolarne 4.2.2.1. Tranzystory z indukowanym kanałem (EMOS) Symbol graficzny Przy braku napięcia na bramce prąd nie płynie – brak kanału. Przy dodatnim napięciu UGS na bramce, większym od wartości progowej UT (threshold voltage ) pod dielektrykiem powstaje warstwa inwersyjna i pełni rolę kanału przewodzącego między źródłem i drenem.

Poziom Fermiego zbliża się do pasma przewodnictwa. Tranzystory unipolarne Poziom Fermiego zbliża się do pasma przewodnictwa. Warstwa powierzchniowa nabiera cech półprzewodnika typu n. Przy braku przewodzącego kanału napięcie UDS dowolnego znaku daje tylko prąd wsteczny (jedno ze złączy jest spolaryzowane zaporowo), a rezystancja obwodu dren – źródło jest bardzo wysoka (~10GΩ). Przy istnieniu warstwy inwersyjnej prąd gwałtownie rośnie i staje się zależny od UGS i UDS.

w zakresie omowym (triodowym) to jest dla Tranzystory unipolarne UDS=const Charakterystyka przejściowa Charakterystyki wyjściowe w zakresie omowym (triodowym) 1 to jest dla (1) w obszarze nasycenia to jest dla 2 otrzymuje się prąd drenu podstawiając UDS = UGS - UT do (1): (2 )

Konduktancja przejściowa: Tranzystory unipolarne Konduktancja przejściowa: Przy normalnej pracy tranzystorów EMOS potencjały bramki i drenu mają te samą biegunowość i dlatego dren jednego stopnia może być bezpośrednio łączony z bramką następnego stopnia. Zjawiskiem niekorzystnym jest jednak kwadratowa zależność ID (UGS) w zakresie nasycenia (nieliniowości).

Tranzystory MOS z wbudowanym kanałem Tranzystory unipolarne Tranzystory MOS z wbudowanym kanałem Kanał wytwarza się w procesie produkcji. Kanał przewodzi już przy UGS= 0 (normalnie przewodzący). Sterowanie prądem JD za pomocą napięć UGS i UDS jest możliwe dzięki temu, że pod dielektrykiem bramki może powstać warstwa inwersyjna w stosunku do kanału po przyłożeniu odpowiedniego napięcia bramki (zmniejszenie przekroju czynnego kanału). Istnieje tu więc duże podobieństwo do tranzystora polowego złączowego JFET.

Charakterystyka przejściowa wskazuje, że tranzystor może pracować Tranzystory unipolarne Charakterystyki wyjściowe Charakterystyka przejściowa Napięcie odcięcia Charakterystyka przejściowa wskazuje, że tranzystor może pracować przy zerowej polaryzacji bramki a więc może być sterowany sygnałem bipolarnym .

4.2.2.3. Schematy zastępcze tranzystorów MOS Tranzystory unipolarne 4.2.2.3. Schematy zastępcze tranzystorów MOS Są bardzo podobne do modeli tranzystorów JFET, jednak zawsze pomija się prądy bramki. Konduktancja przejściowa: Konduktancja wyjściowa:

wpływu podłoża jest więc następujący: Tranzystory unipolarne Jeżeli do elektrody podłoża doprowadzi się napięcie, obszar kanał - podłoże odpowiada złączu jak w tranzystorze JFET. Tranzystor rzeczywisty może być więc traktowany jak dwubramkowy a kanał jest równoległym połączeniem kanału tranzystora MOS i kanału utworzonego tranzystora JFET. W takim przypadku istotna jest również transkonduktancja (konduktancja przejściowa) podłoże - dren : Małoczęstotliwościowy, małosygnałowy schemat tranzystora MOS z uwzględnieniem wpływu podłoża jest więc następujący:

Tranzystory unipolarne Pamięci MOSFET MOSFET-y jako elementy pamięci to początkowo pamięci typu ROM (Read-Only Memory). Z czasem powstały struktury spełniające role pamięci EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) a następnie EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) oraz flash EEPROM zwane pamięciami flash. Jedna z najpopularniejszych komórek pamięci EPROM powstała w oparciu o tranzystor FAMOS (Floating-gate Avalanche-injection MOS). Przykładając duże napięcie do drenu i bramki sterującej powodujemy przepływ prądu nasycenia, a wysokie pole elektryczne w pobliżu drenu powoduje wstrzyknięcie części elektronów do bramki pływającej. To powoduje zmianę napięcia progowego o wartość: ΔVth = -Q/CFS (CFS - poj. br.pływ. /podłoże, Q-wstrzyk. ładunek). Tranzystor FAMOS

Pamięć FAMOS Ładunek wstrzyknięty do bramki Tranzystory unipolarne Pamięć FAMOS Ładunek wstrzyknięty do bramki pływającej może w niej przebywać nawet 10 lat, dzięki doskonałej izolacji dwutlenku krzemu. Aby „wymazać” ładunek w bramce pływającej stosuje się naświetlenie ultrafioletem przez ok. 30 min. Dostarczona w ten sposób energia wystarcza aby elektrony pokonały barierę potencjału (ok. 3.1V) między polikrzemem i SiO2. Istnieją dwa stany pracy tranzystora FAMOS: logiczne „0” kiedy brak jest ładunku w bramce pływającej i napięcie progowe jest niskie logiczne „1” istnieje ładunek w bramce pływającej i napięcie progowe jest wysokie. Te dwa stany są wykrywane przez wzmacniacz umieszczony w strukturze.

Pamięć FLOTOX Tranzystor FLOTOX (FLOating gate Tunneling OXide) jest Tranzystory unipolarne Pamięć FLOTOX Tranzystor FLOTOX (FLOating gate Tunneling OXide) jest urządzeniem, które może być programowane lub kasowane (EEPROM). Tranzystor posiada tunelowy (ok. 5 nm) tlenek powyżej drenu. Programowanie polega na przyłożeniu dużego napięcia dodatniego do bramki sterującej przy uziemionym drenie. W wyniku potencjał bramki pływającej rośnie i elektrony tunelują do niej z obszaru drenu. Daje to wzrost napięcia progowego. Aby wykasować ładunek, napięcie dodatnie przykłada się do drenu przy uziemionej bramce sterującej. Elektrony tunelują do drenu i informacja w postaci ładunku w bramce pływającej zostaje wymazana. Jeżeli tlenek bramkowy jest dostatecznie cienki, tunelowanie zachodzi między kanałem lub źródłem i bramką pływającą. Takie mikrostruktury nazywane są pamięciami flash.