29 MOSFET - Struktur dan Cara Kerja Devais

MOS Field-Effect
Transistors (MOSFETs)
1
Struktur dan Cara Kerja
Devais MOSFET
2
©2012 Mervin T Hutabarat
Struktur Fisik

Tampak perspektif

Potongan melintang

Nilai Tipikal Teknologi Saat
L 0,03-1um, W 0,1-100um,
tox 1-10nm
3
Tegangan Gate Nol


Tegangan gate nol
drain-source
membentuk dioda backto-back
Arus drain-source
sangat kecil (nol)
4
Pembentukan Kanal




Saat gate mendapat tegangan
positif, elektron terkumpul di
bawah elektroda gate
Bila tegangan melampaui Vt
terbentuk kanal dari drain ke
source akibat inversi pembawa
muatan
Devais dengan kanal terbentuk n
disebut MOSFET kanal n
Tegangan efektif atau overdrive
gate
vOV  vGS  Vt

Muatan dalam kanal
Q  Cox WL vOV
Cox 
 ox
tox
5
MOSFET dengan vDS kecil


Arus kecil mengalir dari drain
ke source (elektron dari source
ke drain) akibat drift
Muatan per satuan panjang
kanal
Q
satuan panjang kanal

Medan listik sepanjang kanal
E 

 CoxWvOV
vDS
L
Laju drift elektron
laju drift elektron   n E   n

vDS
L
Arus drain
iD   nCox
W
W
vOV vDS   nCox vGS  Vt vDS
L
L
6
MOSFET dengan vDS kecil

Arus drain
iD   nCox

Plot arus tegangan
W
vGS  Vt vDS
L
Transkonduktansi gDS
g DS   nCox


W
W
vOV   nCox vGS  Vt 
L
L
Penentu arus
Parameter transkondutansi proses
W
k n'   n Cox dan Aspect Ratio
L
Parameter transkonduktansi MOSFET
k n  k n'
W
W
  nCox
L
L
rDS
Perilaku mendekati sifat linier
resitansi
1
1
1



7
W
g DS  C W v


C
v
n ox
OV
n ox
GS  Vt 
L
L
Saat vDS diperbesar

Tegangan pada ujung kanal
source
vGS  Vt  VOV

Tegangan pada ujung kanal
drain
vGD  vGS  vDS  Vt  VOV  vDS

Kedalaman kanal tidak sama
pada source dan drain
dankanal yang terbentuk
‘tapered’. Source lebih dalam
karena overdrive voltage lebih
besar
8
Perubahan Kanal oleh VDS
9
Kurva iD vs vDS untuk VGS > Vt
10
Operasi VDS besar (>=VOV)
11
Struktur Devais PMOS

Tanpa tegangan

Dengan tegangan VSB
12
Penampang CMOS
13
Lay Out CMOS
Potongan
melintang
Layout
14
Penurunan Persamaan Arus Tegangan
15
©2012 Mervin T Hutabarat
Equipotential pada arah y (melebar)
Kapasitansi gate-channel
(dielektrik SiO2) per
satuan area (1)

Cox  ox
tox
(2)
Muatan tersimpan dalam
Kapasitor (3)
Q  CV
Muatan tersimpan dalam
“potongan” equipotensial
(4)
Figure 4.8 Derivation of the iD–vDS characteristic of the NMOS transistor.
dq  Cox W dx vGS  v( x)  Vt 
16
Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith
Muatan pada celah potongan dq  Cox W dx vGS  v( x)  Vt 
sehingga
dq
 Cox W vGS  v( x)  Vt 
dx
Medan listrik pada
“potongan”
dvx 
E x   
dx
Laju elektron (drift)
Karena medan listrik
dx
dv x 
  n E x    n
dt
dx
Arus drift pada celah “potongan”
i
Figure 4.8 Derivation of the iD–vDS characteristic of the NMOS transistor.
Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith
dq dq dx

dt dx dt
i    n Cox W vGS  v( x)  Vt 
dv x 
dx
17
Arus drain yang disebabkan arus drift pada celah “potongan”
iD  i   n Cox W vGS  v( x)  Vt 
dvx 
dx
dapat disusun menjadi
iD dx  n Cox W vGS  v( x)  Vt dvx 
Integrasi dengan batas source
dan drain atau x antar 0 dan L
dan tegangan 0 dan vDS
L
v DS
0
0
 iD dx   n Cox W vGS  v( x)  Vt dvx 
memberikan
iD   n Cox 
Untuk saturasi vDsat  vGS  Vt
arus drain menjadi
iD 
W
1 2 


v

V
v

vDS 
GS
t
DS

L
2

1
n Cox W vGS  Vt 2
2
L
18
Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith
1
n Cox W vGS  Vt 2
2
L
1 W
vGS  Vt 2
iD  k n'
2 L
iD 
W
1 2 


v

V
v

vDS 
GS
t
DS

L
2

W
1 2 


iD  kn'
v

V
v

vDS 
GS
t
DS
L 
2

iD   n Cox 
definisi konstanta
kn'  n Cox
19
Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith