صفحه 1:
الکترونیک دیجیتال
اجزای مدارات دیجیتال- ترانزیستور
دکتر سعید شیری
صفحه 2:
# ترانزیستور های 269 بدلیل اينکه میتوان تعداد زیادی از آنها
را در یک مدار مجتمع جاداد و همچنین بدلیل سهوات نسبی
قرایند ساخت آنها بصورت گسترده ای در مدارات دیجیتال
مورد استفاده هستند.
© امروزه میتوان ده ها میلیارد ترانزیستور را در یک مدار
مجتمع نمود.
صفحه 3:
MOOG ترانزیستور
نواحى سورس و درين با ايجاد دو نيمه هادى نو 0
نفوز و يا كاشت يونى در داخل يك نيمه هادى بآيه م كه بدنه ناميده ميشود بوجود مى أيند.
* یک لایه نازک 97۵ ( تقريبا (60 أنكستروم) برروى ناحيه كشيده ميشود كه أكسسيد كيت
نامیده میشود.
۰ بای از كا ناا سنا قار ياي ايكون را روي اک کت کته مرش
© تران پستورهای 069() با استفاده از اکسید ضخیم 9/108) و دیودهای معکوس مم+ از
كر جدا ميشوند.
Gate Oxide
Field-Oxide
(S102)
صفحه 4:
Polysilicon A
p-substrate
صفحه 5:
صفحه 6:
در فصل قبل دیود که المانی دو ترمینالی بود را بررسی کردیم. در اين
فصل و فصل بعدی المانی سه ترمینالی که ترانزیستور نامیده میشود را
بررسی خواهیم کرد.
ترانزیستور در مدارات زیادی از جمله تقویت کننده هاء مدارات دیجیتال
و حافظه ها کاربرد دارد.
اصول کلی کارکرد ترانزیستور بر اين پایه است که با اعمال ولتاژ به دو
ترمینال جریان ترمینال سوم را کنترل میکنند.
© دو نوع ترانزیستور مهم وجود دارد: MDOGEEN, BUT
از ۲) کوچکتر بوده و ساخنآنساده تر بودم
و توانک متریمصرفمیکند. در ساختب سیاریاز مدارلتمجتمع.
کاربرد دارد.
صفحه 7:
).یلمع Oxide داك
GPPect Trocsisior
* این ترانزیستور بر روی یک پایه از نوع م ساخته میشود. بر روی پایه دو ناحیه با نیمه
هادى نوع > که دارای زیادی هستند ایجاد میشود. اين نواحی سورس و درین
ناميده ميشوند که با یک اتصال فلزی دردسترس قرار
© بين اين دو ناحيه ودر پایه عایقی از جنس شیشه کشیده میشود. برروی اين عایق
یک لایه فز قرار داده میشود که اتصالی ٍ ام بوجود می آورد.
۶ ممکن است پایه نیز به یک اتصال فلزی وصل شود.
| ی
رس |
Figure 4.1 Physical structure of the enhancement-type NMOS transistor: (a) perspective view; (b) cross-section,
Typically Z = 0.1 to 3 um, W= 0.2 to 100 um, and the thickness of the oxide layer (t.,) is in the range of 2 to 50 nm.
صفحه 8:
انحوه عملکرد
این ترانزیستور بصورت یک المان با سه ترمینال , :۳() ,صعسو)
صه9) مورد استفاده فرارمیگیرد.
اگر ولتاژی به كيت وصل نشده باشد بين سورس و درین دو دیود وجود
خواهند داشت: یکی بین ج سورس و م پایه و دیگری بین م پایه و >
درین.
جون اين دو ديود يشت به يشت به هم وصل شده اند هیچ جریانی بین
سورس و درين نميتواند برقرارشود.
مقاومت بين سورس و درين خيلى
زياد خواهد بود.
در واقع يك ناحيه تخليه بين دو قطعه
»,مر مجاور تشكيل ميشود كه از عبور
جريان بين يايه و درين و همجنين يايه
و سورس جلوكيرى ميكند.
صفحه 9:
۶ اگر درین و سورس را به زمین وصل کرده
و ولتاژ مثبتی به گیت وصل کنیم» ناقلهای
مثبت زیر ناحیه گیت تحت تاثیر اين ولتاژ از
زیر گت دور شده و به سمت دودح
رانده میشوند.
* اين ولتاز متقابلا الکترونهای منفی را از
ناحیه های سورس و درین جذب مینماید. اگر
در ناحیه زیر گیت الکترون کافی جمع شود
یک ناحیه منفی بوجود می آید که دو ناحیه »
مربوط به سورس و درین را به هم وصل
میکند. در واقع کانالی برای عبور جریان
الکترون از سورس به درین تشکیل ميشود.
* توجه شود که سس كه قبلا از نوع م
بود در ناحيه زیر گیت به نوع © تبدیل
(kwersion ker) Spe
ایجاد کانالی برای عبور جریان
1 Gate electrode
Induced
000
p-type substrate
Depletion region 1
P
Figure 4.2 The enhancement-type NMOS transistor with a positive
voltage applied to the gate, An n channel is induced at the top of the
substrate beneath the gate.
صفحه 10:
© ترانزیستوری که کانال آن از نوع باشد؛ بماد و يا
25 خوانده ميشود.
* مقدار 00205 لازم براى تشكيل كانال بايد از يك مقدار آستانه
0 بيشتر باشد. اين مقدار معمولا بين ©.00 , ) ولت است.
٩ درناحیه گیت در اثر جمع شدن بار منفی در زیر گیت و اتصال
آن به ولتاژ مثبت در بالای گیت» خازنی بوجود میاید.
٩ مقدار جریانی که از کانال میگذرد بستگی به میدان الکتریکی
تشکیل شده در ناحیه گیت دارد.
توجه شود که ترانزیستور از لحاظ ساخت متقارن است لذا نامگذاری درین و سورس بستگی به
ولتاژی دارد که به آنها اعمال میشود: برای تراتزیستور با کانال ب درین به ولتاژ بالاتری نسبت
به سورس وصل ميشود.
صفحه 11:
اعمال ولتاژی کوچک به درین و سورس
اگر ولتاژ کوچکی به درین و سورس 3“
اعمال شود (005)) باعث خواهد شد تا
جریان ل: در کانال عبورکند. tL 1 (small
ان لسع وود =
درواقع اين ولتاز باعث جذب الكترونها 5 ۰ 01
از سمت سورس به درين شده و جريائى.
در خلاف جهت حركت الكترون بوجود
می آورد.
مقدار این جریان بستگی به مقدار
لکترونهای ازادی ناحیه زیر گیت دارد
Induced آن وابسته به ولتاژ ,-6)695 امن aes
دارد.
اگر 26969) در حد بر باشد کانال تازه
تاسیس هنوز کوچک بوده و جربان زیادی . |
از آن عبور تمیکند. اما با زياد شدن آين
ولتاز. عرض كانال هم زياد شذه و امكان 5
عبور جریان بیشتر فراهم خواهد شد.
Figure 4.3 An NMOS transistor with v3, > V,and with a small vj, applied. The device acts as a
resistance whose value is determined by Vix. Specifically, the channel conductance is proportional
to Vi, - V; and tun fis petportional to (v., - Vi &,.. Note that the depletion ان ار وا ما
صفحه 12:
: ارابطه جریان و ولتاژ
* مقدار جریانی که از کانال میگذرد هم
به ولتاژ میب( و هم به ولتاژ
حل() بستگی خواهد داشت.
۶ درواقع ترانزیستور بصورت یک .
مقاومت خطی عمل میکند که مقدار آن
به ولتاژ 968)() بستگی دارد.
۶ اگر ۵000 از 0 کمتر باشد مقاومت
بى تهايت بوده و جرياتى عبور تخواهد
كرد. با زياد شدن 00808 مقدار
مقاومت نيز كمتر ميشود.
© توجه شود كه مقدار جريانى كه به
ترمينال درين وارد ميشود برابر با
ريانى اسث كه از سورس خارج
ميشود و جريان ترمينال كين برابر با
Figure 4.4. The jy vp characteristics of the MOSFET in Fig. 4.3 صفر استر
whon the voltage applied between drain and source, va i kept
small. The device operates as a linear resistor whose value is
controlled by V.
0 0 0 3 7
صفحه 13:
افزایش ولتاژ Ooo
* اگر ولتاژ درین و سورس را از مقدار (0 به سمت 26069) افزایش دهیم ولتاژی
که روی کانال می افتد در سمتی که کانال به درین وصل میشود به اندازه -696)
00۵) کاهش پیدا میکند در نتیجه عرض کانال در اين قسمت کاهش می یابد
زيرا مقذار آن به ولتازى كه در ناحیه زير کاقال اعمال ميشوذ بستكى دارد. بدين.
ب شکل کانال دیگر متقارن نخواهد بود.
۱
ate, ol br revbhowe سای ی سس توملا جيه caked dich > O,
صفحه 14:
اشباع ترانزیستور
٩ با افزایش بیشتر ولتاژ6069) مقدار مقاومت کانال نیز
عدلا-ر/ ذیگر بصورت یک خط راست نخواهد بود.
* اكر ولتاز تا متدارع/ا - Vasu = Vag افزايش بيدا كند كانال در محل اتصال به درين
ae 5 دس 9 تاثيرى در جريان نخواهد كذاشت و جريان در حد
شباع باقی خواهد ماند.
شده و در نتیجه منحنی
© نواحی کار ترانزیستور بصورت زير نامگذاری شده است:
Ope < Oa, * تسه طسب
Gorraiva reqou! Ope 2 Ope. *
tos tos ~ V
Us
| Dain
eden ma Souree | Channel eee
ces wih و
tys=0
سس( rere 6? “orm Vag eer fr جما او سطوت تس
ويج ميجو ‘The تس سید سم لوط gg roche و - Oe chen pao ae tote
ی ۳ ساسحا 00005 سوم نسحل بن پا تلم (borot, of) 7
تير REE واج لسعم
صفحه 15:
پدست آوردن رابطه جریان و ولتاژ
MOGEET 9 say ji
* اگر فرض شود که/۷ > Ves تا کانال ایجاد شده باشد» همچنین
با فرض ۷ :۷۰ > :۷ برای اينکه در ناحیه ولو باشیم.
و
1۳ = [inde
Re py 1
{y= MCE Ue) FH vos bys]
oP he (g- Veo charwerity oP he ODO rawr عنم 60 موق
صفحه 16:
: اجریان در ناحیه تریود
* برای خازنی که در ناحیه گیت تشکیل ميشود داریم:
(7 perv of
۰ ظرفیتخازی بای راد
۰ كيت
۶ بعلت نایکنواختی کانال ایحا ده ظرفیت خازنی ناحیه کانال
متغییر خواهد بود. اگر یک المان جزنی از سطح زیر گیت که
در فاصله بر قرار دارد را در نظر بگیریم ظرفیت خازن اين
ناحیه برابر است با: 4 ری
9 که بار الکتریکی ذخیره شده در آن با ولتاژ اعمالی به کانال در
این نقطه ربط خواهد داشت. .. ز۷-(مه-بتنه ۲ات وه
۶ از طرفی ولتاژ 20008) میدانی ایجاد میکند که برابر است با
E(x) = 2)
ie
صفحه 17:
© اين ميدان باعث میشود تا بار الکتریکی جمع شده در زیر ناحیه گیت
با سرعت زير به حرکت در آید: ee مس و
aq = Made 3 es 7
* جريان رانش حاصل برابر است با:. 77, - 44 -؛
۰ با جایگذاری مقادیر خواهیم داشت: v(x) Ve) سممة ]لم6 يلاد is
1
* اگر چه این جریان برای یک نقطه بدست آمد اما باید برابر با
جریانی باشد که از سورس به درین وجود دارد. لذا جریان درین به
مبورس برابر است با: تشگ - ره سروه ]لاي 0 يلم - 1- > مذ
dx
fod = U,CoWligs~V,—u(x)] doz)
۶ با جابجائی و انتگرال گیری داریم:
Vago le و۲ ۳ ا لك
f' ipdx =
1 1 > is]
صفحه 18:
جریان در ناحیه اشباع
© مقدار جریان در ابتدای ناحیه اشباع با مقدار جریان در انتهای
ناحیه تریود برابر خواهد بود. لذا با جایگزین کردن . ,۷-,»-,,«
خواهیم داشت: . 7-م»( )نمكم !دم
۶ در روابط فوق مقدار ,> ثابت بوده و به تکنولوژی ساخت
نیمه هادی برمیگردد. از اینرو میتوان آنرا با مقداری ثابت
جایگزین نمود. . »,۸ :۸
9 در نتيجه رابطه جریان برابر است با:
(ممزیت 00 ال سد
0 قينا
(Saturation region) سد
صفحه 19:
: اتکنولوژی زیر میکرونی(77) 22))
* مشاهده میشود که مقدار جریان به نسبت طول به عرض کانال
بستگی دارد.
6 مقداز را توستط سازنده انتخاب منود تا تر ان یستور بر ای
جریان دلخواه قابل استفاده باشد. از آنجانیکه ساخت تراتزیستور
کوچک یک امتباز محسوب میشود سعی میشود تا با کوچک
کردن را به ترانزیستور کوچکتری رسید که در حال حاضر به
علت محدودیت ساخت نمیتوان آنرا از سبدره کوچکتر کرد.
این مقدار را حد تکنولوژی تعیین میکند.
صفحه 20:
p dus b DOGRET ترانزیستور
(PMOG)) ::°
© یک ترانزیستور کانال م بر روی یک پایه ب» ساخته میشود و
نواحی مثبت و منفی با استفاده از ناخالصی + بوجود می آیند
در نتیجه حفره ها ناقل جریان خواهند بود.
© طرز کار آن شبیه ترانزیستور » کانال است با اين تفاوت که
0۵ 00008 و ۱() همگی منفی هستند.
* امروزه 20200 بدلیل کوچکی» سرعت بیشتر و مصرف
توان کمتر بیشتر از ۳)(669) مورد استفاده هستند.
صفحه 21:
COOG ترانزیستور
* تكنولوزى COOG (Compewerctary DOB) b 5 LS DOG !5 8 دو نوع
pyar psa 3G استفاده میکند.
& تکنولوژی 6(009() در بسیاری از مدارات دیجیتال و آنالوگ کاربرد دارد.
۶ در روی پایه از نوع م یک ناحیه با نام اصرى » ایجاد میشود. اين دو ناحيه توسط يك عايق
از هم جد میشوند.
۶ یک ترانزیستور کانال » در پایه و یک ترانزیستور کانال م درچاه ب ایجاد میشود.
type boxy
Figure 4.9 Cross-section of a CMOS integrated circuit. Note that the PMOS transistor is
formed in a separate n-type region, known as an n well. Another arrangement is also possible in
which an n-type body is used and the n device is formed in a p well. Not shown are the
connections made to the p-type body and to the n well; the latter functions as the body terminal
صفحه 22:
صفحه 23:
شمای ترانزیستور MOOG
© هر سه شكل معادل هستند.
© جهت فلش نشان دهنده آن است كه جريان از يايه ترانزيستور به بيرون
است,
۶ اگر پایه و سورس به هم متصل شده باشند پایه نشان داده نمیشود.
3 0 0
له
Figure 4.10 (a) Circuit symbol for the n-channel enhancement-type MOSFET. (b) Modified
circuit symbol with an arrowhead on the source terminal to distinguish it from the drain and to
indicate device polarity (Le., channel). (c) Simplified circuit symbol to be used when the
source is connected to the body or when the effect of the body on device operation is.
unimportant,
صفحه 24:
£2 |عملکرد ترانزیستور در ناحیه زیر ولتاژ آستانه
9 گفته شد که اگر 0()>وید) باشد جریانی از ترانزیستور عبور
نخواهد کرد اما در اين ناحیه اگر ولتاژیم() به ۱) نزدیک
باشد» ممکن است که جریانی که رابطه نمائی یا ولتاژ دارد از
آن عبور نماید. با این وجود در اغلب کاربردها میتوان از آن
صرف نظر نمود.
صفحه 25:
مشخصه 10-0006585
شکل زیر مجموعه ای از منحنی ها را نشان میدهد که هر یک
برای 6909() ثابتی اندازه گیری شده اند.
“سه ناحیه عملکرد مختلف برای ترانزیستور لها
میتوان در نظر گرفت: قطع؛ تریود و اشباع ج aoe ۳۹۱
77 اب
ناحیه اشباع وقتی که ترانزیستور بعنوان تقویت 20+
کننده مورد استفاده است بکار میرود و برای
ترانزیستوری که بعنوان سوئيج كار ميكند از
ناحيه قطع و تريود استفاده ميشود.
: | 0
0 1 2 3 1۹ 5 (a)
Figure 4.11 (a) An n-channel enhancement-type MOSFET with v,, and Vp, applied and with the
‘Sormal directions of current flaw indicated, h) The i.-\jj, characteristics fora device with &,
صفحه 26:
:* أمشخصه 10-0000585
© ناحيه قطع وقتى است كه : 0 - ونج ]1 > رون
۶ در ناحیه تریود باید ((26<<و مم) تا کانال ایجاد شود و از طرفی
حال 000() باید کوچک SSL تا ناحیه کانال پیوسته باقی بماند.
٩ که این شرط را میتوان بصورت زیر نوشت: (هس سس ,۷<مه
Yas ~ Ups > Vi uae ره )۷ یدموا وولة وود ی
٩ در این ناحیه رابطه جریان بصورت زير بود و مه ]هد
e که در صورتیکه 00009)بقدر كافى كوجك باشد ميتوان آنرا
بصورت زیر نوشت: ip = ET (vas Viens
© كه اين رابطه خطى بيانكر اين امر است كه كانال در اين ناحيه
بصورت یک مقاومت خطى تعيين با مقدار زير عمل خواهد كرد.
اوم
"oss
rw +
تسيل تاه
صفحه 27:
85 امقاومت کانال
٩ مقاومت کانال را همچنین میتوان بصورت زیر نوشت
v=
که در آن Vov =Vas~V,
© در ناحیه اشباع باید کانل تشکیل شده و همچنین ام نم رخ
داده باشد لذا gs 2V, (Induced channel)
Ups 2 ves ~V, (Pinched-ofF channel)
* که با جایگزینی آن دررابطه جریان در مرز ناحیه اشباع داریم:
توجه شود که در اين ناحیه جریان درین مستقل از ولتاژ ۵00) بوه و فقط
به ولتاژ 0090 بستگی دارد لذا از آن میتوان بعنوان منبع جریان استفاده
os
1pW, 2
in= ghey (os— Va)
صفحه 28:
© رابطه جریان در ناحیه اشباع
بصورت شکل مقابل خواهد بود
که مستقل از ولتاژ 00005) است. جه
و
rewmver a marcar (0, = 10, ki, OIL = 4D ۱]
00اه
صفحه 29:
اثر محدود بودن مقاومت خروجی
* دیدیم که در حالت اشباع جریان ,ما از ولتاژ Og است. اما این امر در عمل صادق نبوده
وبا افزايش JUS pack oPP Abt Og, از درین دورتر ميشود.
* در اين حالت افت ولتاز دو سر OGG -O p= be ge Ep) lake aa 53 SUIS
Kee Gall a piss sla JIS 5 Gee Ow 4S Sob lS 4a 52 Gb 5 OOGoat
۶ این ولتاژ الکترونهانی را که به ناحیه تخلیه میرسند را شتاب داده و جذب درین میکند.
© در اينحالت رن كال أ عر رمک میدید
این پدیده را مدولاسیون Source Drain ~
طول کانال میگویند.
سا اس
یله
صفحه 30:
اثر تغییر طول کانال در مقدار جریان
AL/L) <1 5
© اكر تغيير طول كانال ر splay atte GOO
AL = Hops
a. 2
سس “لاس ونة)(وو +1
1 3
Sp tn= Fat (Hes V,) (1 4 Ads)
7 ۸ بافرض
9 که نشان میدهد جریان م1 و ولتاژ رم با ضریب
رابطه خواهند داشت. (ووتة + 1)
صفحه 31:
:: ارابطه جریان خروجی و ولتاژ وم
Triode بیع
۱
k ی ات اه ی ات ساسا
صفحه 32:
مقاومت خروجی
© میتوان تغییر مقدار جریان درین در اثر تغییرات Oge Sls را
بصورت یک مقاومت نشان داد:
و
Va 5
#بافرض a داریم:. “Th
9 در این روابط م4 جریان درین بدون در نظر گرفتن اثر
مدولاسیون کانال است: ۳
Va (Early voltage) = 1/A with a typical value of 200
.to 300V
)Vais proportional to L, therefore, short-channel
devices suffer more from channel-length
صفحه 33:
مدل ترانزیستور با در نظر گرفتن مقاومت
خروجی
2 2
Tas — Vi
sro wre oP br wohvared DOOPOT were, keeryeree he Ne root شوه آموسوورا 61۶ سوق
“re Nee ps revere code br herr depreece oP fg Veg ew pe by Or. (#22)
صفحه 34:
POOG ترانزیستور
نج مت سا اس
صفحه 35:
ر 20005
© سورس به ولتاز كمتز وصل.ميشولا.
JU, © آستانه > 0) و 2003068 نيز منفى خواهد بود.
© بدنه به منفی ترین ولتاژ مدار وصل ميشود.
بالا و درين به وا
Cutoff region
0- ونه ا < Ves
Triode region
1 ۲
بو یو ود واه 1 با روا
وج بابرا وا - واه پوت ور
Saturation region
Yas Sop “Vi P ly = SE, gg TO Ags)
صفحه 36:
معمولا بدنه یک ترانزیستور ۱01405 به متفی ترین ولتاژ مدار وصل ميشود.
ایش ۷58 ناحیه تخلیه بین پایه و وسورس نیز بزرگتر میشود و در نتیجه در ناحیه زیر کانال
پیشروی مینماید.
از آنجانیکه بار منفی زیادی در ناحیه تخلیه جمع شده در
به اين اثر ۴۲۲661 000۷
اين اثر ميتوائد كارائى مدر را تاحد زيادى تحت تاثير قرار دهد.
ولتاژ لازم براى ايجاد كانال افزايش مى
Depletion region
صفحه 37:
:: اثر حرارت
٩ مقدار ]۷ به ازای هر درجه افزایش در حرارت به اندازه
2111/7 افزايش پیدا میکند.
#مقدار ,۸ با حرارت کاهش پیدا میکند در نتیجه مقدار و با
افزايش جريان كاهش بيدا ميكند.
el یک مقدار ثابت از ولتاز باياس ميتوان كفت كه در
حالت كلى با افزايش دما مقدار جرريان م/ كاهش مى يابد.
صفحه 38:
شکست و محافظت از ورودی
با افزایش ولتاژ درین به نقطه ای میرسیم که پیوند درین وپایه بصورت بهمنی شکت پیدا
ميكند (بين (0© تا (0 00 ولت) و بات میشود تا جریان خیلی زبادشرد. (1(91)
0
در ترانزیستور هایی که ناحیه کانال کوچک باشد با افزایش ولتاژ درین ناحیه تخلیه
گسترش زیادی پیدا کرده و تا سورس امتداد پیدا می نماید. این پدیده بیس سم
نامیده شده و باعث افزايش زياد جريان ميشود.
پیدیده شکست دیگری وجود دارد که با افزایش ولتاژ گیت-سورس رخ میدهد ( در حدود
OO ولت). اين پدیده باعث از بين رفتن عايق ناحيه كيت شده و به ترانزیستور صدمه
غیر قابل برگشت میزند. (مرسلسسا طمسعه)
باید توجه شودکه مقاومت ورودی 6096*097۳( خیلی بالا و خازن ورودی آنها خیلی کم
است لذا یک بار الکتریکی ساکن کم هم میتواند ولتاژ گیت را از آستانه شکست بالا برده و
ترانزیستور را بسوزاند. ( آزاینرو بایدازلمس کردن ر با ست خودداری کرد).
البته امروزه اکثر نیمه هادی های 6096687 دارای مدارات دیودی درورودی برای
محافظت ازترانزیستور میباشند.
صفحه 39:
نزیستور تخلیه ای
© ترانزیستور 07069 به دو طریق ساخته میشود:
۴ افزایشی و یا ومد
* تخلیه ای و یا ابو
© در ترانزیستور تخلیه ای از ابتدا کانال در ترانزیستور تعبیه میشود. در
اين ترانزیستور در کانال پک ناحیه سیلیسیمی نوع () وجود دارد که
نواحی »+ را به هم وصل میکند. وجود اين ناحیه از پیش ساخته باعث
ميشود که بازای (9<6)()() نیز جریان ID برقرار شود.
© افزایش ولتاژ 600() باعث میشود تا عمق کانال بیشتر شود.
© ولتاژ منفی نیز باعث میشود تا ناقلهای بار از کانال تخلیه شوند. وقتی که
ناقلی در کانال باقی نماند جریان 160 به صفر ميرسد. اين ولتاز منفى
مقدار () را مشخص میکند.
صفحه 40:
صفحه 41:
٩ در بسیاری (substrate) Ady LY ea IS از لحاظ الکتریکی به
سورس وصل میشوند در نتیجه پیوند 60) بین بدنه و کانال در
حالت معکوس باقی میماند.
۴ در مدارات مجتف که این لبه بین چندین درادزیستور معترک است
معمولا پایه به منفی ترین ولتاژ موجود در مدار وصل میشود تا از
باقی ماندن پیوند در گرايش معکوس مطمئن گردند.
* ولتاژ بایاس بین سورس و پایه 6960() میتواند برکار مدار تاثیر
گذارد. بدین ترتیب که با منفی شدن پایه نسبت به سورس ناحیه
تخلیه بزگتر ميشود كه برای بازگرداندن آن به حالت قبلی باید ولتاژ
5 افزايش يابد.
سداس ج94 سح < 060
صفحه 42:
اثر بدنه
© اين اثر باعث تغییر در مقدار ولتاژ آستانه () میشود که بصورت
یک پارامتر در ولتاژ آستانه ظاهر ميشود.
۷ - 7۳۰ Fa -
000-0 ولت نله بزای 1 Fad i
پارامثر ساخت
@ معادله فوق نشان میدهد که تغییر 09089() سبب تغییر :() میشود که
خود موجب تغییر 160 خواهد شد.
© اثر ولتاز پایه در تغییر جریان آنرا بصورت یک گیت دیگر تبدیل
میکند که ممکن است عملکرد مدار را بشدت تحت تاأثیر قرار دهد.
صفحه 43:
ولتاژی است که در آن پندهمرپسرجروه رخ ميدهد
Gita ff gl
مه مه ریم لصو و Dpiatlentsgercharse Pore Powe (0.9 O
Body Effect Coefficient
Fg + HJ 28p*Fog]- JP)
with
صفحه 44:
2
لور 2+ )2(
جا هه" “هوا
قوم
x
سو ۷( سوج ره
with
رفع ]ل - وه 29۶۲ ,۳۳ هو
‘Table 32 Parameters for manual model of gearic 0.25 ym CMOS process (ainirmam length device).
Fm | tea | FAN 3
24 2 aa | sai 2
4 64 4 30.107 41
صفحه 45:
ات
مدل سوئيج-مقاومت uae
۰ در برخى مدارات بيجيده براى تحليل سريع مدار ميتوان از مدل ساده
تری برای ترانزیستور استفاده نمود که در آن ترانزیستور با یک سوئیج
و یک مقاومت سری مدل میشود.
* از آنجائیکه چنین مقاومتی غیرخطی و متغییر با شرایط مداری خواهد
بود برای تعریف یک مقدار متوسط برای آن که بتواند عملکرد مدار را
در رنج قابل قبولی از شرایط مدل کند از مقاومت معادل زیر استفاده
ميشود که در آن مقدار مقاو مت های ابتدا و انتهای عملکر د تر انز یستور
استفاده میشود.
: J, Rott
Rog = average, , (Real)
‘onlls) + Raylt))
“able 3 Equivleat csitace&y7L= 1) of NMOS and PMOS tear in 25 yn CMOS posse wih
= Lyg) For hes devices, vie اي
PAIOS (ko)
صفحه 46:
* برای مثال اگر بخواهیم یک خازن را از طریق ترانزیستور
۵ از 10000 6000/9 BS کنیم مقدار
مقاومت معادل از روابط زیر بدست می آید:
{a) schematic و 2و
(©) tajectory taversed on ID-VDS curve
Yoo
)عقر Dares)
Re 9
مر جرب < وا
with Zpsar =
صفحه 47:
© رفتار دینامیکی ترانزیستور 2069) بشدت متاثر از زمان لازم برای
شارژ و پا خالی کردن خازنهای پارازیتی هستند که بطور ذاتی همراه
هر ترانزیستور و یا خازنهای همراه با سیمهای مداراست.
gy! © خازنها دارای سه ريشه مختلف هستند:
۴ ساختار اصلی MOG
۶ بار موجود در کانال
© ناحیه تخلیه موجود در پیوند معکوس نواحی درین و سورس
۶ همه خازنهای موجود در مدار غیر خطی بوده و تابعی از ولتاژ
اعمالی هستند.
صفحه 48:
صفحه 49:
خازن ناحيه كيت
* عایق بکار رفته در اکسید گیت داراى ظرفيت خازنى در واحد
سطح برابر با مقدار زیر است: Cop = ay! ta
* با کم شدن ضخامت اکسید گیت مقدار این خازن افزایش یافته و
در عوض جریان درین نیز افزايش می يابد.
مقدار کل اين خازن با بب) نشان داده میشود که میتوان آنرا به
دو قسمت تجزیه کرد:
٩ بخشی از آن به بار موجود در کانال مربوط میشود
۰
بخشی از آن ناشی از شکل ( ساختار) ترانزیستور است.
صفحه 50:
اخازن ساختاری
* در عمل بخاطر مسایل تکنیکی اکسید گیت علاوه
بر ناحیه گیت مقداری هم از نواحی سورس و
درین را هم میپوشاند که اين امر اسب
نامیده ميشود.
© این امر باعث میشود تا ناحیه موثر کانالرا کوتاه
تر از عرض ناحيه كيت كرا شود.
© اين هميوشانى باعث بوجود آمدن اثر خازنى بين
ناحیه یت و سورس و همچنین ناحیه گیت و
درین میشود که خازن همپوشانی نامیده میشود
popuritrae) 5
۶ مقدار این خازن خطی بوده و ثابت است.
۶ از آنجانیکه مقدار آن به تکنولوژی وابسته است
معمولا آنرا با مقدار خازن اکسید گیت ترکیب
میکنند.
Polyslicen gate
(2) Top view
eS
() Cross section
‘ovo = Cort = CW
Ceso
صفحه 51:
خازن کانال
* این خازن مهمترین خازن پارازیتی ترانزیستور Ss) DOG
* مقدار این خازن در نواحی کاری مختلف ترانزیستور متغیر بوده و به ولتاژ اعمالی
نیز بستگی دارد.
© مقدار متغير این خازن را میتوان در سه ناحیه مختلف مطابق شکل زیر نشان داد.
* در ناحیه قطع اثر خازنی بین گیت و بدنه وجود دارد
59 دی کال اثر خازنى قبلى از بين رفته و خازن جديد بين كيت وكانال بوجود
* در حالت اشباع لثر خازنی بين كيت و سورس بوجود مى آيد و درين نقشى در آن ندارد.
6 6 6
لبا در ا
woe ees oe ee
@) cutoff () resistive (©) saturation
صفحه 52:
تغییرات خازن کانال
* وقتی که 6909-0) است خازن کانال برابر با مقدار )را( است.
© با لؤزايش ولتاز نا زمان روشن شدن.ترانزيستور بتدريج از امقذار خارّن فزق كم ميشود ا
ظرفيت خازنى بين سورس و درين بصورت مساوى تقسيم ميشود.
۶ با شروع اشباع توزیع ظرفیت خازنی بین سورس و درین به مقدار نسبت . 1و7و7
بستگی پیدا میکند.
۶ در ضمن مقدار کل ظرفیت خازنی گیت در حالت اشباع به تدریج کاسته شده و به 6/9
مقدار اولیه میرسد.
WiC, cx! me,
Coe
Ves ۰ وی یز
(@) Cac a function of Fas (vith Pos) (©) Coc asa finetion of the degsee of saturation
صفحه 53:
٩ برای محاسبات ساده میتوان مقدار خا
ly ب
مقدار متوسط خازن گیت
إن كيت را بصو
Table 3.4 Average distribution of channel capacitance of MOS transistor for different operation regions.
Ce
2ب
ری
QC ILC T
Coc
CoE
7
2/362
Coco
0
62
0
2»
0
7
)2/3( 2
م2
CoE
0
0
Operation Region
Cutoff
Resistive
Saturation
صفحه 54:
خازن ناحیه پیوند
عا تر airy eee eee eee
ى به نام جو #دودوح ودزصس 4298 به ترانزیستور می افزاید.
5 خارن نلحيه تخلية غير خطلى يودة وبا افرايشن ولكاز باياس معكوس كاهش مى
يابد.
© ييوند معكوس فوق داراى دو مولفه است:
* بيوند صفحه زيرين ( بين سورس و بدنه). بعلت يله اى بودن اين بيوند ضريب © (0-
ادر نظر كرفته ميشود.
ا ليسي
© پیوند دیواره ها که بین سورس و gt 3585) stopper آید. . بعلت بالاتر بودن دوپینگ
stopper مقدارر ظرا خازنی بوجود آمده پله ای ذ
پیون
W#2 x LE) 1
نولوژی ساخت مربوط میشود میتوان آنرا با پارامتر دیگر رابطه فوق
تركيب و aos CB بصورت زير نوش =
GawX; = مسا
jew ~ Gow
صفحه 55:
جد هاج 2) OPPusiod
Channel-stop_ implant
Nyt
Channel
Substrate ty
x PERIMETER
Saige - Cvottom + Cw ~ Cj AREA T Coy
= OH HC yy gt BD
صفحه 56:
usricd Cupuricere
20
abrupt junction
15
10
05
linear junction
0.0
23 3T
0 و۷
كلسم
0 3
00
صفحه 57:
مدل خازن های ترانزیستور
* با توجه به بحث های انجام شده میتوان مدل خازنی ترانزیستور را بصورت شکل زیر
معرفی نمود.
* آشنانی با اين مدل برای طراحی یک مدار با کارائی بالا و کم مصرف الزامی است
Cacs + Caso: Can = Caco * Cano: Cas = Cace = هو"
6 يو قري
C33 = Csagi Cos = Cpa
2
(iim) | سرع
ros | 6 | 7ه | 15
صفحه 58:
مقاومت سورس_-درین
٩ یک عامل پارازیتی دیگر که در عملکرد ترانزیستور نقش
بازی میکند» مقاومت بين سورس و درين است. اين عامل
بخصوص در ترانزيستورهاى كوجك نقش مهمى بازى ميكند.
© مقدار اين مقاومت با رابطه زير مشخص ميشود:
~S2Ry +Re = رو
9 .5
سس Papico ee RO te concer
be nd oP the remit, crn
tke boots oP ter source or drama recon. 1,0
Buyer he chert resekmee per spare of
(a) Modeling he مه مق | of ha مامد تممه
صفحه 59:
مقاومت سورس_درین
© وجود اين مقاومت باعث کاهش جریان درین برای یک ولتاز معین
ميشود. لذا کوچک نگه داشتن آن بعنوان یک هدف طراحی در نظر
گرفته میشود.
* یک روش برای کم کردن آن +6 ناميده ميشود كه در آن
ناحيه سورس و درين با شان
* باید دقت شود که طراحی بدون دقت یک بمرو| میتواند باعث
بوجود آمدن المانهای پارازیتی مختلفی شده و کارائی مدار را پائین
می آورد.
صفحه 60:
© با كوجك gad Gi ترانزیستورها عوامل دیگری غیر از موارد
ذکر شده در عملکرد مدار تأثیر میگذارند.
© برای ترانزیستورهای کوچک فرض یک بعدی بودن مدل برهم
میخورد و باید از مدلهای پیچیده تری استفاده نمود.
* اگرچه برای طراحی ادوات امروزی آشنائی با این عوامل
درجه © اهمیت دارد اما برای بسیاری از تحلیل های سریع
میتوان از مدلهای ساده تر استفاده نمود.
صفحه 61:
The Gub-Oierou DOG Tracsistor
° Threskold Oonictiows
* Porusitic Qesistuwes
٠ Oblovity Gauturatiog oad Ovbilitty Oeqradatiod
٠ Gubtkreskold Ovaductiod
*butckup
صفحه 62:
اشباع سرعت
رفتار ترانزیستورهای با کانال خیلی کوتاه هرك /ح + جد را نميتوان با مدل هاى قبلى نشان داد.
مهمترین عامل در اين امر پدیده اشباع سرعت ناميده ميشود.
از آنجائيكه سرعت ناقلها با میدان الکتریکی متتاسب است ولی از مقدار آن مستقل است قابلیت حرکت آنها
مقدارى ثابت است. با اين وجود در ميدانهاى قوىء ناقلها نميتوانند از اين مدل تبعيت نمايفد.
در واقع وقتی که طول کانال به مقدار بحرانى جا يرسد سرعت ناقلها بدليل يديده ب-جهحد ناشى از برخورد
اناقلها به مرز اشباع ميرسد.
برای يك ترائزيستور 000070005 با طول کانال مبی) فقط چند ولت کافی است تا اين پدیده رخ دهد.
a
g(x) = 1,82
‘Constant velocity
vats)
‘Constant mobility (slope= u)
Figure 317 Velocity-saturtion effec,
رتم ج
صفحه 63:
اشباع سرعت
٩ میتوان رابطه سرعت با میدان را بصورت زیر تقریب زد:
#در مرز ناحیه اشباع داریم: Wealthy =
* از اینرو رابطه جریان را میتوان مجددا بصورت زير نوشت:
Vos?
9 رابطه !ا را میتوان معیاری از اشباع دانست: | وه سم رد
با افزایش علل() و یا بزرگتر شدن مقدار را
ار این کسر به 0 نزدیک میشود.
برای کانال کوتاه مقدار ب از ) کمتر شده و
بشود تا جریان کمتر از مقدار مورد
انتظار باشد.
with,
1 وم
رات WED =
صفحه 64:
7
۶ با افزایش عل() میدان الکتریکی کانال به حد بحرانی رسیده و
ناقلهای درین به سرعت اشباع میرسند. مقدار معل<) را میتوان
بصورت زیر محاسبه نمود:
= MreeCox جیوه
عم x
5 -جيوم7جه7 ايو ©,لالريوو7) -
Veris a shorthand notation for Ves- Vp. After some algebra, we obtain
موم
صفحه 65:
7
© افزايش بيشتر ولتاز 007 جريان را تم
افزايش نمیدهد اما موجب برخی پدیده های_. سهمسدسه |
جالب میگردد:
© در ترانزیستورهای با کانال کوتاه اگر يميج
۲ ) بزرگ باشد Odsat <OBT
شده و ترانزیستور قبل از رسیدن ولتاژ
درين-سورس به مقدار “00608-0041) به
اشباع ميرسد. از اينرو ترانزيستور مدت
بيشترى در اشباع كارخواهد نمود.
® مقدار جریان --/ كمتر از eke
ترانزيستورهاى كانال بلند بوده و رابطه
تقريبا خطى با ولتاز 0005089 دارد
صفحه 66:
7
* برای اينکه بتوان اثر اشباع سرعت را بصورت ساده تری در
معادلات در نظر گرفت از مدل ساده شده زیر استفاده میشود
Ipsar = Ip\Vps = Vosar)
5
< رترب Vas— VV osar- 247}
nCox 7
17
لفق ۷ و7 |177بم© ,مون -
صفحه 67:
تغییرات ولتاژ آستانه
* برای ترانزیستورهای معمولی ولتاز آستانه به پارامترهای تکنولوژی و ولتاژ 6960() بستگی دارد
و میتوان آنرا ثابت فرض کرد. اما با کوچک شدن ترانزیستورها ولتاژ آستانه به مقادیر
)با( نیز وابسته ميشود.
۶ در ترانزیستور معمولی برای محاسبه ولتاژ آستانه فقط به تاثیر 6069() در تشکیل کانال دقت میشود
و به نواحی تخلیه مربوط به پیوندهای بایاس معکوس سورس و درین توجهی نميشود.
۶ با کوچک شدن طول کانال وجود یک ولتاژ کوچک نیز برای بوجود آمدن حالت «رمیری1 AS
خواهد یود زیرا قسمتی از ناحیه زیر گیت که به سورس و درین مربوط میشود قبلا از ناقل خالی
شده اند. لذا مقدار 00/() کاهش خواهد یا
* به همین ترتیب با زیاد شدن ولتاژ عا() نیز ناحیه تخلیه زیر گیت بزرگتر شده و به ولتاژ آستانه
کمتری نیاز خواهد بود. این خاصیت که باعث وابستگی ولتاژ آستانه به ولتاژ عء() میشود
bwerkny, or DIL هما لصاح سك جا
ناميده ميشود.
© با افزایش بیشتر Gaul ae OMG حتی ناحیه سورس و درین به هم برسند و با اتفاق
5 جریان زیادی از ترانژیستور عبور کرده و به آن صدمه بزند. از اینرو باید مانع
این پدیده شد.
صفحه 68:
تغییرات ولتاژ آستانه
* از آنجانیکه امروزه اکثر ترانزیستورهای مدارات مجتمع بصورت کانال
کوتاه ساخته میشوند» تغییرات ولتاژ آستانه برای همه ترانزیستورهای
مدار مشابه خواهد بود و مشکل آنچنانی ایجاد نمیکند.
© اما پدیده را2168) در مدارهاتی مانند حافظه های دینامیکی که جریان
نشتی هر سلول تابعی از ولتاژ داده موجود در سلول است میتوان مسئله
ساز باشد. اين امر باعث بوجود آمدن نویز وابسته به داده ميشود.
7
Vy T
Long-chanael threshold Low Pps threshold
ا ۱
7 Ys
(a) Threshold as a function of the (b) Drain-induced barrier
length (for low Vp) lowering (for low £)
صفحه 69:
Lutchup
ساختار ترانزیستور MOG بنحوى Cal که بصورت ذاتی پیوندهای وم موجود در
آن میتواند ساختاری شبیه به ترانزیستورهای دو قطبی و یا تریستور داشته باشد.
اگر به هر علتی اين تریستور ها روشن شوند 000 به 8 اتصال كوتاه
خواهد شد که میتواند باعث صدمه دائمی به مدار
اكر يكى از تر وهای دق ین ام هر اک ههد بو دی
گرایش BAe را تغذيه نموده و یک فیدبک
5 أنقدر زياد میشود تا ترانزیستور
را بسوزاند.
gts easel fotos up ee Cel
برای پرهیز از پدیده فوق باید مقاومت Rawel cad Rpsubs cle را کرچک
کرد تا امکان ایجاد فیدبک مثبت را کاهش داد. برای اینکار تعداد کنتاکت های بدنه
و جاه را زياد ميكنند.
صفحه 70:
Vpp
2 ف
= 5-5-2 تس ‘p-source
17لا 1 87 7
n-source
psibstrate
at
(@ Origin of latchup (b) Equivalent circuit
صفحه 71:
GP1ICE DOOELG
در برنامه 16(08ظ96) سه مدل مختلف برای ترانزیستور در نظر گرفته شده است که با سه سطح
شناخته میشوند.
عام ة) بوجت - وان ۳ اعوووو() ووویا :0 Devel
Level @ ابو( QOodel - ‘toludes Oblvvity
Gaturatiog cad Threskold Ooictioas
bevel Q Gewt-Bopericdl - @ased vu vue Atttog
to weusured devices
Sal olde Debby dae ail os 28S Se با توسعه ترانزیستورهای پایه کوتاه
كه امروزه براى مدل كردن ترانزيستور بكار مير
bevel &(GOM): @epericd - Guwple aad انم
صفحه 72:
042010 2۵8 ۶
POROOETERG
Parameter Name gin | EE | شک | سس
SPICE Nodal Index mv | 1
Teve Dis TheshaldVolage م | vre 7
Pieces Tranonuctance ممه | يه | ص | م
Body-Dlas Parmeter =| camma [ves ۰
‘Channel Modulation tamnpa [1 0
Ove Thieme ا tox = جع
{Lateral هر | م تساه 5 ۰
تمس تلهم Dep ب ]ده = 0
لمان مصتعا عاق aa, [Pa 7 06
سید Doping Wann [Nau | em ۰
عقاف fe Dewi via | «54 | ص ۰
7 NFS [ems ۰
2032310113319 NERY 5 1
Type of Gate Material Te 2 1
تلا میا me [ue 0
Manin Dstt Velo حمس | [ml ۰
مد | عسي | جعت | يد توهش مور
ile Fic ponent in Moby Degidaiion UEXP ۳ 0
Traverse Held ponent nahi) uma | ۰
صفحه 73:
GP1CE Paraveters Por Parusiics
Parmeter Kame ]مه ۳ | |
مد aba ۲ ۳ ۰ 1
Drala rae a | x [a | 0
Hoot resbiawe Gouda | یا | as | a | 0
Thro Us Balk ncn Cw | Ge | co wm? | 0
Tuk Junction Gating كو | - | دع | س | لس
Tove Blas Sie Wall ncn Cap | Guy | CSW | | ٠
Side Wal Grang Cot me | "1# | - | 5ه
سس مه قسن | Gio | CORO | Fm | ف
می | سوه مه سس | C680 | Fm | —o
Cun Drs Ovni Caoetanee | Cyan | odo | Fm | ف
Tul Junon Leakage Cunt | te | | ۸ | ٩
‘Bulk Junction Leakage Current Ts Js | am | es
Beni
lk Jen Foe a [| m [|v | os
صفحه 74:
۰
۰
۰
۰
GO1CCE Preasttors Purcnveters
Default
Value
Units
۶ 5ج ۶
SPICE Name
و لدات كان آنا
Symbol
AREA
‘AREA
PERIM
PERIM
Parameter Name
‘Drawn Length
1۱۲۲
Source Area
‘Drain Area
Source Perimeter
Drain Perimeter
‘Squares of Source Diffusion
Squares of Drain Diffusion
صفحه 75:
۰
۰
۰
۰
۱ Cuvtuioa
‘Year of Introduction | 1994 | 1997 | 2000 | 2003 | 2006 | 2009
Channel length Gam) | 0.4 | 0.3 [0.25 | 018 [oa | on
Gate oxide (am) | 13 | 7 | 6» | كه |] 4 | 8
Van ©) ك3 22| 22 | 15 [1s] 13
20 97 02 | o7 | 06 | 06 | 06
NMOS Ip,,, (mA/um) | 035 | 027 | 0.31 | 021 J0.20 | 033
(@ Yos= Yoo)
PMOS neq: (Alpi) | 0.16 | 0.11 | 9.14 | 0.09 | 9.13 | 6
(@ Yos= Von)
صفحه 76:
Crovess Ourtuions
Qevices pwoweters vey betweed russ ond eved oo
the awe die!
Variations in the process parameters, such as impurity concentration den-
sities, oxide thicknesses, and diffusion depths, These are caused by non-
uniform conditions during the deposition and/or the diffusion of the
impurities. This introduces variations in the sheet resistances and transis-
tor parameters such as the threshold voltage.
Variations in the dimensions of the devices, mainly resulting from the
limited resolution of the photolithographic process. This causes (W/Z)
variations in MOS transistors and mismatches in the emitter areas of
bipolar devices.
صفحه 77:
معو
du Sve
ممه Poe concen ca Teagan scart are
a 7
Qetoy oP Odder ctroult oy « Proctivg oPrortalivar te L cad Op