Εισαγωγή στους σωλήνες MOS και στα εγγενή κέρδη

Το MOS, το οποίο είναι η συντομογραφία της αγγλικής ονομασίας του τρανζίστορ πεδίου φαινομένου μετάλλου-οξειδίου-ημιαγωγού, είναι μια μοναδική συσκευή ημιαγωγών που ελέγχει το ρεύμα του βρόχου εξόδου μέσω του φαινομένου ηλεκτρικού πεδίου, που του δίνει το όνομά του. Η συσκευή βασίζεται κυρίως στην πλειονότητα των φορέων σε ημιαγωγούς για την αγωγή του ηλεκτρισμού, επομένως ταξινομείται επίσης ως μονοπολικό τρανζίστορ. Εκτός από τα τρανζίστορ MOS, υπάρχουν διάφοροι τύποι όπως FET διασταύρωσης (JFET), FET μεταλλικών ημιαγωγών, JLFET και QWFET. Μεταξύ αυτών των τύπων, τα τρανζίστορ MOS είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη επιλογή λόγω των πολλών πλεονεκτημάτων τους, όπως η υψηλή αντίσταση εισόδου, η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, ο χαμηλός θόρυβος και η ευκολία ενσωμάτωσης, και χρησιμοποιούνται ευρέως σε αναλογικά και ψηφιακά κυκλώματα και καταλαμβάνουν απόλυτη δεσπόζουσα θέση στην αγορά, υπερβαίνοντας κατά πολύ τα διπολικά τρανζίστορ (BJT).

715-031986-005 Θάλαμος αντίδρασης Hsg Lwr

Τα τρανζίστορ MOS υποδιαιρούνται περαιτέρω σε NMOS (τύπος N-καναλιού) και PMOS (τύπος καναλιού P), τα οποία ανήκουν και τα δύο σε FET με μόνωση πύλης. Όταν τα NMOS και PMOS συνδυάζονται έξυπνα, σχηματίζουν αυτό που συχνά ονομάζουμε συσκευές CMOS (Συμπληρωματικό Μέταλλο-Οξείδιο-Ημιαγωγό). Η δομή του NMOS έχει σχεδιαστεί ώστε να είναι εξαιρετική, συμπεριλαμβανομένων τριών βασικών ηλεκτροδίων: Source (S), Gate (G) και Drain (D), τα οποία μπορούν λειτουργικά να συσχετιστούν με τον πομπό, τη βάση και τον συλλέκτη ενός διπολικού τρανζίστορ, αντίστοιχα , όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Σχηματικό διάγραμμα δομής NMOS

0040-09723 -unibody, Etch θάλαμος

Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, εάν δεν εφαρμόζεται τάση στην πύλη κατά τη λειτουργία του NMOS, το ρεύμα δεν μπορεί να σχηματιστεί μεταξύ των περιοχών πηγής και αποστράγγισης λόγω της έλλειψης αγώγιμων καναλιών. Ωστόσο, όταν εφαρμόζεται μια αρκετά μεγάλη θετική τάση στην πύλη, αυτή η τάση λειτουργεί σαν μαγνήτης για να προσελκύει ένα μικρό αριθμό φορέων-ηλεκτρονίων-στο υπόστρωμα τύπου P, προκαλώντας τη συγκέντρωση τους στη διασταύρωση της πύλης και του υποστρώματος. Με τη συσσώρευση ηλεκτρονίων, ένα αντίστροφο στρώμα γεμάτο ηλεκτρόνια θα σχηματιστεί στην επιφάνεια του υποστρώματος, το οποίο στην πραγματικότητα αναστρέφει την αρχική περιοχή τύπου P σε μια περιοχή τύπου Ν, παρέχοντας έτσι ένα ομαλό κανάλι για το ρεύμα, έτσι ώστε η Τα ηλεκτρόνια στην περιοχή πηγής μπορούν να ρέουν ομαλά στην περιοχή αποστράγγισης για να σχηματίσουν ρεύμα. Αυτή η διαδικασία καταδεικνύει την ουσία του τρανζίστορ MOS ως συσκευή ελέγχου τάσης, δηλαδή, η τάση πύλης χρησιμοποιείται για την ακριβή ρύθμιση του ρεύματος μεταξύ της πηγής και της αποστράγγισης. Αυτό το αντίστροφο στρώμα δημιουργεί μια αποτελεσματική διαδρομή μεταφοράς ηλεκτρονίων, η οποία επιτρέπει στα ηλεκτρόνια στην περιοχή πηγής να ρέουν συνεχώς στην περιοχή αποστράγγισης, με αποτέλεσμα το σχηματισμό ηλεκτρικού ρεύματος. Επομένως, το τρανζίστορ MOS είναι ουσιαστικά μια συσκευή ελέγχου τάσης, ο πυρήνας της οποίας είναι ο ακριβής έλεγχος του ρεύματος μεταξύ της πηγής και της αποστράγγισης μέσω της τάσης πύλης. Ορίζουμε την ελάχιστη τάση πύλης που απαιτείται για την ενεργοποίηση του FET ως τάση κατωφλίου. Η πύλη παίζει το ρόλο ενός διακόπτη εδώ: όταν η τάση πύλης πέσει κάτω από την τάση κατωφλίου ή όταν αφαιρεθεί η τάση της πύλης, απενεργοποιείται, εμποδίζοντας τη διέλευση ρεύματος μεταξύ της πηγής και της αποστράγγισης. Όταν η τάση της πύλης είναι πάνω από την τάση κατωφλίου, ανοίγει το κανάλι και επιτρέπει στο ρεύμα μεταξύ πηγής και αποστράγγισης να ρέει ελεύθερα.

Ηλεκτρικές ιδιότητες του NMOS
Στη συνέχεια, περιγράφουμε μια τυπική διαδικασία προετοιμασίας σωλήνων NMOS. Αρχικά, σχηματίζεται ένα επιταξιακό στρώμα σε ένα υπόστρωμα πυριτίου με επιταξιακή ανάπτυξη, αυτό το βήμα στοχεύει στη λήψη ενός μονοκρύσταλλου πυριτίου με χαμηλή περιεκτικότητα σε οξυγόνο, το οποίο αποτελεί το τμήμα ημιαγωγού (S) του σωλήνα MOS και στη συνέχεια το οξείδιο πεδίου παρασκευάζεται από τεχνικές οξείδωσης, φωτολιθογραφίας και χάραξης, οι οποίες χρησιμοποιούνται για την απομόνωση των διαφορετικών σωλήνων MOS και την πρόληψη ηλεκτρικών παρεμβολών μεταξύ τους. Στη συνέχεια, διέρχεται μια διαδικασία οξείδωσης για να δημιουργηθεί ένα στρώμα οξειδίου πύλης, το οποίο είναι το τμήμα οξειδίου (Ο) στον σωλήνα MOS. Το επόμενο βήμα είναι η εναπόθεση του υλικού πολυπυριτίου και ο σχηματισμός μιας πύλης πολυπυριτίου μέσω διαδικασιών φωτολιθογραφίας και χάραξης, αν και το πολυπυρίτιο δεν είναι μέταλλο με την παραδοσιακή έννοια, έχει καλή αγωγιμότητα μετά το ντόπινγκ και είναι κατάλληλο για διεργασίες ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, αντικαθιστώντας έτσι το προηγούμενο μεταλλικό υλικά αλουμινίου. Κατόπιν, εισέρχεται στο στάδιο παραγωγής της ζώνης πηγής και της ζώνης διαρροής, η οποία αρχικά παραθυρώνεται με τη διαδικασία της φωτολιθογραφίας, ακολουθούμενη από την έγχυση ιόντων φωσφόρου και ανόπτεται για να σταθεροποιηθεί η δομή. Ακολουθεί η εναπόθεση ενός στρώματος φωσφοπυριτικού γυαλιού (PSG) ως διηλεκτρικό στρώμα, το οποίο εξομαλύνεται με διαδικασίες εναπόθεσης και επαναροής, θέτοντας μια καλή βάση για τα επόμενα βήματα λιθογραφίας. Το PSG στη συνέχεια φωτολιθογραφείται και χαράσσεται για να δημιουργήσει το επιθυμητό σχέδιο. Στη συνέχεια, το κράμα αλουμινίου-πυριτίου εναποτίθεται ως υλικό σύνδεσης μετάλλου και η μεταλλική σύνδεση προετοιμάζεται με διαδικασίες φωτολιθογραφίας και χάραξης. Τέλος, ένα στρώμα νιτριδίου του πυριτίου εναποτίθεται ως προστατευτικό στρώμα παθητικοποίησης για να παρέχει πρόσθετη προστασία και σταθερότητα σε ολόκληρη τη συσκευή.

Εγγενές κέρδος του σωλήνα MOS
Το μέγιστο κέρδος μικρού σήματος χαμηλής συχνότητας που μπορεί να εμφανίσει ένα τρανζίστορ σε μια διαμόρφωση ενισχυτή κοινής πηγής ορίζεται ως το εγγενές κέρδος του τρανζίστορ MOS, το οποίο μπορεί να εκφραστεί ως

Η λεπτομερής διαδικασία παραγωγής παραλείπεται εδώ. Σύμφωνα με αυτόν τον τύπο, το εγγενές κέρδος του τρανζίστορ MOS είναι αντιστρόφως ανάλογο με την τάση υπερκίνησης και τον συντελεστή διαμόρφωσης μήκους αυλάκωσης λ. Επειδή το λ είναι αντιστρόφως ανάλογο με το μήκος καναλιού L του σωλήνα MOS, το εγγενές κέρδος αυξάνεται με την αύξηση του L. Θεωρητικά, το εγγενές κέρδος του τρανζίστορ MOS μπορεί να αυξηθεί μειώνοντας την τάση υπερκίνησης και αυξάνοντας το L. Ωστόσο, και τα δύο αυτές οι λειτουργίες επιβραδύνουν την ταχύτητα εργασίας του σωλήνα MOS. Επομένως, στον πραγματικό σχεδιασμό του κυκλώματος, πρέπει να κάνουμε μια αντιστάθμιση μεταξύ κέρδους και ταχύτητας. Αυτή η ισορροπία μεταξύ απολαβής και ταχύτητας ήταν πάντα ένα κεντρικό ζήτημα στον τομέα του σχεδιασμού αναλογικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Αξίζει να σημειωθεί ότι φαίνεται η παρακάτω εξίσωση

Το εγγενές κέρδος του τρανζίστορ MOS είναι παρόμοιο με το εγγενές κέρδος κατά τον σχεδιασμό της απόδοσης διαγωγιμότητας, αλλά το εγγενές κέρδος επηρεάζεται επιπλέον από το μήκος του καναλιού. Καθώς το μέγεθος των χαρακτηριστικών των συσκευών MOS συνεχίζει να συρρικνώνεται, το εγγενές κέρδος τους μειώνεται, γεγονός που θέτει μια αυξανόμενη πρόκληση για τα σχέδιά μας.

Επιπλέον, πρέπει να είμαστε προσεκτικοί ότι μια πολύ χαμηλή τάση υπερκίνησης μπορεί να προκαλέσει την είσοδο του τρανζίστορ MOS στην περιοχή υποκατωφλίου, όπου τα χαρακτηριστικά λειτουργίας του τρανζίστορ MOS είναι πολύ διαφορετικά από εκείνα στην περιοχή κορεσμού, και πολλοί από τους σχετικούς τύπους και οι θεωρίες δεν θα ισχύουν πλέον.