Bài giảng Transistor trong mạch IC

TRANSISTOR TRONG MẠCH ICTrường Đại học Bách khoa Hà NộiBiên soạn: TS. Lê Tuấn9/8/20212Đại học Bách khoa Hà NộiTRANSISTOR LƯỠNG CỰCKiến thức cơ sở về transistor lưỡng cựcCấu trúc: giống như hai diode p-n nối xoay đầu vào nhauChế độ điện ápVBEVBCVùng bão hòa (Saturation)Vùng cắtCut-offVùng tích cực thuận (Forward active)Vùng tích cực ngược (Reverse active)transistor n-p-nnnpEBCtransistor p-n-pppnEBC9/8/20214Đại học Bách khoa Hà NộiTransistor lưỡng cực ở chế độ tích cực thuận Giản đồ năng lượngCác thành phần dòng điện9/8/20215Đại học Bách khoa Hà NộiVí dụ với transistor lưỡng cực p-n-p trong chế độ điện áp thuận9/8/20216Đại học Bách khoa Hà NộiProfile phân bố tạp chất trong transistor lưỡng cực- Emitter cấy ion- Transistor nhiều emitterCấu trúc thực tế của transistor lưỡng cực đơn (a) và planar trong mạch IC (b).Profile phân bố tạp chất trong transistor9/8/20217Đại học Bách khoa Hà NộiSự co hẹp bề rộng vùng cấm Đối với bán dẫn pha tạp mạnh, năng lượng hiệu dụng ion hóa tạp chất giảm giá trịĐối với bán dẫn loại nĐối với bán dẫn loại pNồng độ hiệu dụng hạt tải thuần9/8/20218Đại học Bách khoa Hà NộiDòng collector IC9/8/20219Đại học Bách khoa Hà NộiDòng collector IC (tiếp)Mật độ dòng collector bão hòaSố cơ sở Gummel 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. theo de Graaff theo GummelMột cách định nghĩa khác của số cơ sở Gummel9/8/202110Đại học Bách khoa Hà NộiDòng baseGiả 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 đềuMật độ dòng base bão hòa:Số Gummel cho emitter:9/8/202111Đại học Bách khoa Hà NộiHệ số khuếch đại dòngHệ 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:9/8/202112Đại học Bách khoa Hà NộiCác đặc trưng một chiềuĐặc trưng I-V Đồ thị giá trị các số GummelVBE (V)9/8/202113Đại học Bách khoa Hà NộiCác điện trở nối tiếp vùng emitter và baseSự 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 base9/8/202114Đại học Bách khoa Hà NộiBiến 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 collectorHiệu 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.9/8/202115Đại học Bách khoa Hà NộiDòng collector ở mức tiêm hạt dẫn caoỞ mức tiêm hạt dẫn cao vào vùng base mật độ dòng JC giảm điNồng 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/qvsat9/8/202116Đại học Bách khoa Hà NộiDòng 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.9/8/202117Đại học Bách khoa Hà NộiNồng độ lỗ trốngNồng độ electronDòng collector ở mức tiêm hạt dẫn cao (tiếp)9/8/202118Đại học Bách khoa Hà NộiDòng dò baseDòng 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 kểNếu 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 tunnelĐối 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)9/8/202119Đại học Bách khoa Hà NộiĐiện áp đánh thủngBVCBO: điện áp đánh thủng collector-base với emitter mởBVEBO: điện áp đánh thủng emitter-base với collector mởBVCEO: điện áp đánh thủng collector-emitter với base mở BVCES: điện áp đánh thủng collector-emitter với base nối tắt tới emitterBVCER: điện áp đánh thủng collector-emitter với base nối qua điện trở tới emitterĐánh thủng diode Đánh thủng transistor9/8/202120Đại học Bách khoa Hà NộiThế đánh thủng C-E+-VCEBVCEO+-VCEBVCES+-VCERBBVCERđối với BVCEOđối với BVCERđối với BVCESnpIBFIBAICAnRSIon hóa do va chạm9/8/202121Đại học Bách khoa Hà NộiHệ số đánh thủng thác lũ M (Avalanche Multiplication Factor)Emitter chungBase chungInput: baseOutput: collectorHệ số khuếch đại dòng điện:Input: emitterOutput: collectorHệ số khuếch đại dòng điện:9/8/202122Đại học Bách khoa Hà NộiQuan hệ giữa BVCEO và BVCBO9/8/202123Đại học Bách khoa Hà NộiDòng base ngượcCác 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 lại9/8/202124Đại học Bách khoa Hà NộiCấu trúc transistor lưỡng cực hiện đại9/8/202125Đại học Bách khoa Hà NộiẢnh SEM mặt cắt ngang của transistor lưỡng cực hiện đạiEBCSTIDTSiGe base9/8/202126Đại học Bách khoa Hà NộiSiGe Heterojunction Bipolar Transistor (HBT) Si EmitterSiGe BaseSi CollectorECEVe-Điện trường trong vùng base (30~50 kV/cm)Thời gian đi qua vùng base giảm  cải thiện tốc độ làm việcTăng nồng độ ni trong vùng baseLàm tăng IC  tăng hệ số khuếch đại dòng điện  Cho phép pha tạp vùng base cao hơn  giảm RB/ giảm NFmin hay giảm WB .9/8/202127Đại học Bách khoa Hà Nội375 GHz SiGe HBTTần 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)9/8/202128Đại học Bách khoa Hà NộiSo sánh với các linh kiện RF khác9/8/202129Đại học Bách khoa Hà Nội9/8/202130Đại học Bách khoa Hà NộiMOSFET KÊNH DÀISơ đồ MOSFET 9/8/202132Đại học Bách khoa Hà NộiCác 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:9/8/202133Đại học Bách khoa Hà NộiBiến thiên dòng máng Ids của MOSFETGần 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:9/8/202134Đại học Bách khoa Hà NộiMật độ điện tích lớp đảo QiTrường hợp tụ MOSTrường hợp MOSFETĐơn giản đặt ψS = 2 ψB ψS = 2 ψB + V9/8/202135Đại học Bách khoa Hà NộiBiểu 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: 9/8/202136Đại học Bách khoa Hà NộiDòng máng Ids tại các vùng tuyến tính và bão hòa Vùng bão hòa (Vds đủ lớn):Ký hiệu:Log (IDS)Vùng tuyến tính (Vds nhỏ):Do Vds Vdsat)9/8/202141Đại học Bách khoa Hà NộiPhân bố V(y) và Qi(y) dọc theo kênh dẫnVGần đúng kênh biến đổi không còn chính xácThay thế biểu thức của Ids, ta có:9/8/202142Đại học Bách khoa Hà NộiDòng máng với giá trị Vdsat chính xác hơn Ta đã sử dụng phép gần đúngMột cách chính xác, Vdsat là giá trị điện thế V sao cho điện tích lớp đảo Qi = 0Tạitiến tới giá trị cực đại9/8/202143Đại học Bách khoa Hà NộiDòng điện máng dưới ngưỡngVds9/8/202144Đại học Bách khoa Hà NộiDòng điện máng dưới ngưỡng (tiếp)Biểu thức dòng máng dưới ngưỡng trở thành:Độ dốc dòng máng dưới ngưỡngLog (IDS)9/8/202145Đại học Bách khoa Hà NộiẢnh hưởng của đế (Body effect)Để hiểu rõ bản chất vật lý, xét vùng cực nguồn (source region),VoxQdmMật độ điện tích lớp đảo bị ảnh hưởng của điện thế đế VB:Vox không đổi, nhưng và Qdm đều tăng khi có Vbs.9/8/202146Đại học Bách khoa Hà NộiẢnh hưởng của đế (Body effect)-(tiếp)Điện áp ngưỡng:Dòng máng: Điện thế đế có gây ảnh hưởng rõ rệt 9/8/202147Đại học Bách khoa Hà NộiSự phụ thuộc nhiệt độ của VtExample)9/8/202148Đại học Bách khoa Hà NộiĐộ linh động của hạt tải điện trong kênh dẫnHoleElectron9/8/202149Đại học Bách khoa Hà NộiHiệu 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’9/8/202150Đại học Bách khoa Hà Nội