Chapter 6 Physics of MOS Transistors

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1 Chapter 6 Physics of MOS Transistors
6.1 Structure of MOSFET 6.2 Operation of MOSFET 6.3 MOS Device Models 6.4 PMOS Transistor 6.5 CMOS Technology 6.6 Comparison of Bipolar and CMOS Devices

2 Chapter Outline CH 6 Physics of MOS Transistors

3 Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) Capacitor
V2 MOS 구조는 하나의 평판 capacitor로 간주 할 수 있고, top plate는 positive plate, oxide는 유전체, 그리고 Si 기판은 negative plate. (P-기판 가정) CH 6 Physics of MOS Transistors

4 Structure and Symbol of MOSFET
Device가 대칭이므로, n+ 영역은 source나 drain 둘 다 사용 가능. CH 6 Physics of MOS Transistors

5 State of the Art MOSFET Structure
Gate는 polysilicon으로, 절연체는 SiO2로 구성 n+는 자주 source/drain diffusion으로 불림  초기 제조 법 CH 6 Physics of MOS Transistors

6 Formation of Channel 우선, 양의 gate 전압이 hole을 쫓아내므로, 음이온을 남겨두고 공핍영역을 형성. 그리고, 전자들이 이 interface로 달라 붙음  channel 형성 (“inversion layer”). CH 6 Physics of MOS Transistors

7 Voltage-Dependent Resistor
MOSFET의 inversion channel은 저항으로 볼 수 있음. Channel 안의 전하밀도는 gate 전압과 관계가 있고, 이 저항은 또한 전압-종속적임 CH 6 Physics of MOS Transistors

8 Ex 6.1) Voltage-Controlled Attenuator
gate 전압이 줄어들면, 채널 저항이 커지므로 출력은 떨어짐. 이러한 이득 제어는 기지국 근처의 휴대전화가 saturation이 되는 것을 방지함 Variable gain amplifier로 사용 CH 6 Physics of MOS Transistors

9 MOSFET Characteristics
MOS 특성은 VD를 일정하게 하고 VG 를 변동하거나, VG를 일정하게 하고 VD를 변동시켜 측정함 (d)는 채널 저항의 전압 종속성을 보임. 전류는 drift? 아니면 diffusion? CH 6 Physics of MOS Transistors

10 Ex 6.2) L and tox Dependence
작은 gate length와 oxide 두께는 낮은 채널 저항을 보이고 결국 Drain 전류를 크게 한다. CH 6 Physics of MOS Transistors

11 Effect of W gate width가 증가하면, 저항 감소로 인하여 전류 증가함. 그러나, gate capacitance 또한 증가하여 회로의 속도를 제한함. W의 증가는 두 device를 병렬로 만드는 것과 같음 CH 6 Physics of MOS Transistors

12 Channel Potential Variation
Drain과 source 사이에 채널저항이 있으므로, drain이 source 보다 높은 전위로 bias 되면, channel 전위는 source 에서 drain 까지 증가하고, gate 와 채널 사이의 전위는 감소함. CH 6 Physics of MOS Transistors

13 Channel Pinch-Off Gate와 drain사이의 채널 전위차가 양의 값으로 증가하면, interface 아래 inversion layer는 drain 주위에서 pinch off 되기 시작함 VG – VD = Vth일 때, drain에서의 채널은 완전히 pinch off 되고, VG – VD < Vth이면 channel length는 줄어들기 시작함. CH 6 Physics of MOS Transistors

14 Channel Charge Density
Cox : F/m2 채널전하밀도는 gate capacitance/길이 × (gate 전압 – 문턱전압). CH 6 Physics of MOS Transistors

15 Charge Density at a Point
X를 채널의 한 지점이라 하고, V(x)를 그 전위라 하면; 전하밀도/단위길이에 대한 식 CH 6 Physics of MOS Transistors

16 Charge Density and Current
Source에서 drain으로 흐르는 전류 (전자에 의한)는 채널의 전하밀도와 전하 속도에 관계 있음 CH 6 Physics of MOS Transistors

17 Drain Current CH 6 Physics of MOS Transistors

18 Parabolic ID-VDS Relationship
VG 를 일정하게 하고 VDS를 변동시켜 parabolic 관계를 얻음 VDS = VGS- VTH 일 때 최대 전류가 흐름 CH 6 Physics of MOS Transistors

19 Ex 6.3) ID-VDS for Different Values of VGS
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20 VDS << 2(VGS – VTH) 이면
Linear Resistance VDS << 2(VGS – VTH) 이면 작은 VDS에서는 transistor를 하나의 저항으로 볼 수 있으며 이 저항은 gate 전압에 관계함 electronic switch에 쓰임 CH 6 Physics of MOS Transistors

21 Ex 6.4) Application of Electronic Switches
cordless 전화에서는 하나의 안테나로 송신과 수신을 동시에 하며, 스위치로 송신기가 수신기를 안테나로 연결함 CH 6 Physics of MOS Transistors

22 Ex 6.5) Effects of On-Resistance
신호감쇄를 줄이기 위하여 스위치의 Ron 은 가능한 한 작아야 함.  큰 W/L aspect ratio 및 큰 VGS 필요 CH 6 Physics of MOS Transistors

23 Different Regions of Operation
VDS << 2(VGS – VTH) Deep triode region (transistor는 저항처럼) CH 6 Physics of MOS Transistors

24 Saturation 영역에서의 전류 VGS – VTH: overdrive 전압 MOSFET: square-law device

25 How to Determine ‘Region of Operation’
Gate와 drain 사이 전압 > VTH  MOSFET: triode region Gate와 drain 사이 전압 ≤ VTH MOSFET: saturation region. CH 6 Physics of MOS Transistors

26 Ex 6.6) Triode or Saturation?
VG가 1.01V로 증가하면 동작 영역을 모를 때에는, 영역을 추측 (with an intelligent guess). 그리고 나서 계산 결과를 추측과 비교함 CH 6 Physics of MOS Transistors

27 Bipolar transistor 와 MOSFET의 차이점
VBE = VCE: active 영역의 끄트머리 IC – VBE가 지수함수 관계: gm이 큼 대부분의 transistor가 동일 크기 및 IS VDS = VGS – VTH: saturation 영역 끄트머리 ID – VGS가 제곱관계 각 transistor의 aspect ratio가 다름 Gate 전류가 없음

28 Ex 6.7 VGS = 1V로 Triode에 들어가려면 VDS < VGS – VTH = 0.6V ID는 W/L와 선형적으로 비례하므로 VGS가 1mV 증가하면 ID = μA

29 Ex 6.8 Saturation 끄트머리  VGS – VTH = VDS = VDD – IDRD

30 6.2.3 Channel-Length Modulation
Saturation 영역에서 전류가 일정하다고 한 것은 옳지 않음. VD가 증가할 수록 채널의 끝점이 source 쪽으로 이동하므로 ID 가 증가함 (ID는 L에 반비례). 그러므로 saturation 영역에서의 전류는 Drain 전압의 약한 함수. CH 6 Physics of MOS Transistors

31  and L BJT의 Early 전압과 다르게, channel- length modulation factor (λ)는 회로 설계자가 제어 가능함 long L에서는, channel-length modulation 효과가 short L의 효과보다 작음 CH 6 Physics of MOS Transistors

32 Ex 6.9) ID = 1mA, VDS = 0.5V ID1 = 1mA, VDS1 = 0.5V, VDS2 = 1V, λ = 0.1 V-1

33 6.2.4 Transconductance ID Transconductance는 gate 전압이 변할 때, drain 전류가 얼마나 크게 변하는지에 대한 척도 3가지 다른 표현이 존재함 CH 6 Physics of MOS Transistors

34 Ex 6.11) Doubling of gm Due to Doubling W/L
W/L가 배가 되면, 두 개의 transistor를 병렬로 연결하는 것과 같으므로, 전류 그리고 gm 을 두 배로 함 (VGS-VTH 가 일정하다면) CH 6 Physics of MOS Transistors

35 Velocity Saturation 채널이 매우 짧으므로, 현대의 MOS 소자는 VDS가 작아도 속도 포화를 나타내고 있다.
포화된 속도로, drain 전류는 gate 전압과 선형관계를 나타내며, gm은 W의 함수임. CH 6 Physics of MOS Transistors

36 Body Effect Source의 전위가 bulk 전위에서 벗어나면, threshold 전압이 바뀐다.
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37 Subthreshold conduction

38 6.3 MOS Device Models Large-Signal Model Saturation 영역 Deep triode 영역
VDS에 기반하여 MOSFET는 다양한 large-signal model로 표현할 수 있다. CH 6 Physics of MOS Transistors

39 Ex 6.13) Behavior of ID with V1 as a Function
V1이 Source에 연결되어 있으므로, 증가할수록, 전류는 감소함 CH 6 Physics of MOS Transistors

40 6.3.2 Small-Signal Model Bias 점이 크게 변동하지 않으면, 소신호 모델을 사용하여 계산 가능함.
channel-length modulation을 표현하기 위하여, 출력 저항을 추가함 CH 6 Physics of MOS Transistors

41 6.4 PMOS Transistor PNP transistor 처럼, hole에 의한 전류를 바탕으로 한 MOS 소자를 만들 수 있음  PMOS transistor. 모든 극성을 반전시키면 NMOS device 처럼 동작함 CH 6 Physics of MOS Transistors

42 Ex 6.15 VDD = 2.5V, |VTH| = 0.5V V1이 0  VDD까지 증가하면 동작영역은? V1 = VDD  VGS = 0, M1 off V1  VDD - |VTH| 까지 하락하면 M1 turns on, VG = VDD - |VTH| = 2V: M1 saturation V1 < VDD - |VTH|이면 ID 증가 V1 = 1V - |VTH| = 0.5V 이면 M1: triode 끄트머리 V1 < 0.5V 이면 M1: triode 영역

43 PMOS Equations CH 6 Physics of MOS Transistors

44 Ex 6.16) Small-Signal Model of PMOS Device
PMOS device의 small-signal model은 NMOS transistor의 그것과 동일함; 그러므로, RX = RY = (1/gm)||ro. CH 6 Physics of MOS Transistors

45 CMOS Technology p-substrate 안에 n-well을 성장시키는 것이 가능하므로 NMOS와 PMOS가 동시에 존재가능. CMOS, or “Complementary MOS”. CH 6 Physics of MOS Transistors

46 Comparison of Bipolar and MOS Transistors
주어진 bias 전류조건에서는 Bipolar device가 지수함수특성으로 인하여 MOSFET 보다 큰 gm을 나타낸다. CH 6 Physics of MOS Transistors

47 숙제 4 6.15 6.22 6.32 6.35