Osnove mikroelektronike - Elektronski fakultet Nis

pn kondenzatorParazitni elementiKondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijipn kondenzatorMOS kondenzatorMOS strukturaparazitnitranzistorC BCC CSRparazitni pnptranzistor: bazakolektor-supstratR je parazitnaredna otpornost telakolektoraC CS je parazitnakapacitivnost pnspojakolektor-supstratC BC je (željena)kapacitivnost pnspoja baza-kolektorZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiMOS kondenzatorMetal-Oxide-Semiconductorpn kondenzatorMOS kondenzatorMOS strukturaV -MOSkontaktSiO 2n +p + p +n epi kolektorp supstratZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiMOS kondenzatorParazitni elementipn kondenzatorMOS kondenzatorMOS strukturaC CSC MOSRD CSR je parazitnaredna otpornost n +oblastiC CS je parazitnakapacitivnost pnspojakolektor-supstratD CS je parazitnadiodakolektor-supstratC MOS je (željena)kapacitivnost MOSstruktureZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

SadržajKondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijipn kondenzatorMOS kondenzatorMOS struktura1 Kondenzatori u integrisanim kolimapn kondenzatorMOS kondenzatorMOS struktura2 MOS tranzistorPrincip radaElektrične karakteristike3 Invertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijipn kondenzatorMOS kondenzatorMOS strukturaMOS strukturaPoly Si se dopira visokom koncentracijom primesa p ili n tipametal (Al)SiO 2poly SiSiO 2p ili n Sip ili n SimetalmetalZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiEkvivalentno koloC OX ne zavisi od napona V G , a C Si zavisi.pn kondenzatorMOS kondenzatorMOS strukturametal (Al)SiO 2 t ox COXV Gp SiV GC SimetalC OX = ɛ ox /t ox (kapacitivnost se posmatra po jedinici površine!)Z. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijipn kondenzatorMOS kondenzatorMOS strukturaC-V karakteristikaRazlikuju se tri oblasti: akumulacija, osiromašenje, inverzijaCC OXC OXakumulacijajaka inverzijaslaba inverzijaosiromašenje0V GZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

AkumulacijaV G < 0Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijipn kondenzatorMOS kondenzatorMOS strukturaNa me ¯dupovršini Metal-SiO 2 indukuje se negativnonaelektrisanje. Da bi se zadržala elektro-neutralnost,šupljine bivaju privučene me ¯dupovršini Si-SiO 2 , formirajućina taj način akumulacioni sloj. Ovaj sloj služi kao "štit" zadalji dolazak šupljina iz dubine supstrata. Visokakoncentracija šupljina čini da je C Si ≫ C OX , pa jemaksimalna kapacitivnost jednaka kapacitivnosti oksida.Z. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

OsiromašenjeV G > 0Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijipn kondenzatorMOS kondenzatorMOS strukturaNa me ¯dupovršini Metal-SiO 2 indukuje se pozitivnonaelektrisanje. Da bi se zadržala elektro-neutralnost,šupljine bivaju odbačene od me ¯dupovršine Si-SiO 2 ,ostavljajući za sobom negativne akceptorske jone. Na tajnačin se ispod me ¯dupovršine Si-SiO 2 formira osiromašenaoblast. Kapacitivnost se menja kao redna vezakapacitivnosti silicijuma i oksida.Z. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

InverzijaSlaba inverzijaKondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijipn kondenzatorMOS kondenzatorMOS strukturaNapon V G nastavlja da raste. Da bi se zadržalaelektro-neutralnost, elektroni bivaju privučeni me ¯dupovršiniSi-SiO 2 . Na taj način se ispod me ¯dupovršine Si-SiO 2formira inverzioni sloj. Osiromašena oblast se i dalje širi udubinu supstrata. Kapacitivnost se menja kao redna vezakapacitivnosti silicijuma i oksida.Z. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

InverzijaJaka inverzijaKondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijipn kondenzatorMOS kondenzatorMOS strukturaNapon V G nastavlja da raste. Koncentracija elektrona uinverzionom sloju raste i dostiže vrednost koja je dovoljnada "štiti" osiromašenu oblast od daljeg uticaja električnogpolja. Osiromašena oblast prestaje da se širi u dubinusupstrata. C Si = ɛ Si /x dm , pri čemu je x dm maksimalnaširina osiromašene oblasti. Maksimalna kapacitivnostjednaka je kapacitivnosti oksida.Z. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijipn kondenzatorMOS kondenzatorMOS strukturaC-V karakteristika na visokim učestanostimaNaponu V G superponira se naizmenični napon v g učestanosti 1MHz i amplitude koja jemnogo manja od V GCC OXakumulacijaslaba inverzijaosiromašenjejaka inverzijaC min0V GElektroni ne mogu da slede promene superponiranog napona.Z. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijipn kondenzatorMOS kondenzatorMOS strukturaRealna C-V karakteristikaφ ms je kontaktna razlika potencijala izme ¯du metala i poluprovodnikaCrealnaidealnaÁ ms0V GZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

SadržajKondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiPrincip radaElektrične karakteristike1 Kondenzatori u integrisanim kolimapn kondenzatorMOS kondenzatorMOS struktura2 MOS tranzistorPrincip radaElektrične karakteristike3 Invertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiPrincip radaElektrične karakteristikeMOS tranzistorRastojanje izme ¯du spojeva naziva se kanal i ima dužinu LZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

MOS tranzistorŠirina kanala je WKondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiPrincip radaElektrične karakteristikeZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiPolarizacija: NMOS tranzistorSupstrat (B) i sors (S) su uzemljeniPrincip radaElektrične karakteristikeDGBv DSv GSSGejt i drejn su pozitivni u odnosu na sorsNapon praga V t je veći od nule (pozitivan)Z. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiBez napona na drejnuNapon na gejtu je veći od napona pragaPrincip radaElektrične karakteristikeOsiromašena oblast (depletion region) potiče usled prisustvapn spojeva i napona na gejtuZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiMali napon na drejnuStruja izme ¯du drejna i sorsa, kroz kanalPrincip radaElektrične karakteristikeZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiLinearna (triodna) oblastStruja raste linearno sa porastom napona na drejnuPrincip radaElektrične karakteristikeZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiPrincip radaElektrične karakteristikeVeći napon na drejnuOsiromašena oblast pn spoja drejn-supstrat se širi na stranu supstrata, sužavajućikanalOtpornost kanala raste.Z. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiPrincip radaElektrične karakteristikeVeći napon na drejnuKanal se sve više sužava i u jednom trenutku prekidaZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiOblast zasićenjaStruja postaje nezavisna od napona na drejnuPrincip radaElektrične karakteristikeOd tačke prekida kanala (pinch off) pa do drejna elektroniputuju pod dejstvom električnog polja konstantnom brzinomkoja se naziva brzina zasićenja.Z. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

SadržajKondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiPrincip radaElektrične karakteristike1 Kondenzatori u integrisanim kolimapn kondenzatorMOS kondenzatorMOS struktura2 MOS tranzistorPrincip radaElektrične karakteristike3 Invertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiStrujno - naponske karakteristikeIzlazne karakteristikePrincip radaElektrične karakteristikeZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiStrujno - naponske karakteristikePrenosna karakteristikaPrincip radaElektrične karakteristikeZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiIzlazne karakteristikePrincip radaElektrične karakteristikei D = µ n C OXWL[(v GS − V t )v DS − 1 ]2 v DS2(triodna oblast)I D = 1 2 µ nC OXWL (v GS − V t ) 2(oblast zasićenja)µ n je pokretljivost elektrona u kanalu.Z. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiEfekat modulacije dužine kanalaŠirenje osiromašene oblasti skraćuje kanal za ∆LPrincip radaElektrične karakteristikev DSsat je napon pri kome dolazi do prekida kanalaU oblasti zasićenja struja je zavisna od napona na drejnu.Z. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiPrincip radaElektrične karakteristikeEfekat modulacije dužine kanalaEfekat je izraženiji kod tranzistora sa kraćim kanalom (manjim L)V A je Early-jev naponZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiPrincip radaElektrične karakteristikeEfekat modulacije dužine kanalaU oblasti zasićenja tranzistor ima konačnu izlaznu otpornost r oI D = 1 2 µ nC OXWL (v GS − V t ) 2 (1 + λv DS )(oblast zasićenja)r o =V A = 1 λ[ ∂iD∂v DS] −1v GS =Const.Z. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

PMOS tranzistorNapon praga je negativanKondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiPrincip radaElektrične karakteristikeSGDDSiO 2p + p + v GSv DSn supstratGBmetalBSZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

SadržajKondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki niz1 Kondenzatori u integrisanim kolimapn kondenzatorMOS kondenzatorMOS struktura2 MOS tranzistorPrincip radaElektrične karakteristike3 Invertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiDefinicijaNapon na izlazu invertovani je napon na ulazuOsnovno koloCMOS invertorTehnološki niz+ +v Iv OVILV IHV DDtV OHV OLtIndeksi:I - input, O - outputL - low, H - highZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiPrenosna karakteristikaOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizv OV ILV IHV OLV OHZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronikev I

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizInvertor sa otpornikom (pasivnim opterećenjem)NMOS tranzistor u ovoj konfiguraciji može raditi i kao pojačavač i kao invertorZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Grafička analizaQ je radna tačkaKondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Grafička analizaZa invertor: tačke A i CKondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

NedostaciKondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizInvertor je bolji što mu je prenosna karakteristika strmija.Veća strmina prenosne karakteristike se postiže većomvrednosti otpornosti R. Otpornik velike otpornosti zauzimamnogo mesta na površini čipa.Struja kroz kolo teče u svakom trenutku, što znači da jedisipacija toplote prisutna na svim komponentama.Z. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

SadržajKondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki niz1 Kondenzatori u integrisanim kolimapn kondenzatorMOS kondenzatorMOS struktura2 MOS tranzistorPrincip radaElektrične karakteristike3 Invertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizCMOS invertorUlogu opterećenja ima PMOS tranzistor (aktivno opterećenje)Z. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizPrincip radav I = V DDZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Princip radav I = 0Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizPrednosti u odnosu na invertor sa pasivnimopterećenjemTranzistor zauzima mnogo manje mesta na čipu odotpornika.Struja kroz kolo teče samo u prelaznom režimu (kadainvertor menja stanje), pa je disipacija toplote znatnomanja.CMOS kola su najzastupljenija logička kola današnjice.Z. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

SadržajKondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki niz1 Kondenzatori u integrisanim kolimapn kondenzatorMOS kondenzatorMOS struktura2 MOS tranzistorPrincip radaElektrične karakteristike3 Invertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiFormiranje n-well oblastiU n-well oblasti će se nalaziti PMOS tranzistorOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizFormiranje aktivnih oblastiSilicijum nitrid (Si 3 N 4 ) služi kao maska za oksidacijuZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizIzolacija pomoću lokalne oksidacije (LOCOS)Tranzistori će me ¯dusobno biti izolovani oksidomZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiFormiranje gejtovaGejtovi oba tranzistora su od polisilicijumaOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizFormiranje sorsa i drejna NMOS tranzistoraIstovremeno se vrši i dopiranje gejtaGejt služi kao maska za oblasti sorsa i drejna -samopodešavajuća tehnika.Z. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizFormiranje sorsa i drejna PMOS tranzistoraIstovremeno se vrši i dopiranje gejtaGejt služi kao maska za oblasti sorsa i drejna -samopodešavajuća tehnika.Z. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizFormiranje otvora za kontakteOtvori se formiraju u prethodno nanetom CVD oksiduZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

MetalizacijaKondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

CMOS invertorKondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiOtpornici u CMOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizKondenzatori u CMOS tehnologijiZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

SOI tehnologijaSOI - Silicon On InsulatorKondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizPoly gejtt oxn + n +SiO 2SiOp2ukopani oksid SiO 2p supstratUkopani oksid služi kao izolator prema supstratuNema parazitnih komponenata prema supstratuVeća gustina pakovanjaZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizTehnologija napregnutog silicijuma (strained silicon)Veće brzine, manja disipacija toplote, veća gustina pakovanjaSiSiGenapregnuti SiSiGeSendvič strukturaSi-SiGe-SiMe ¯duatomsko rastojanje ugornjem sloju Si sepovećava, radiprilago ¯davanja kristalnojstrukturi sloja SiGePovećanje pokretljivostinosilacaZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike

Kondenzatori u integrisanim kolimaMOS tranzistorInvertor u MOS tehnologijiOsnovno koloCMOS invertorTehnološki nizTehnologija napregnutog silicijuma (strained silicon)+nPoly Si gejtnapregnuti SiSi Ge1-x xSi supstrat+nZ. Prijić, T. Pešić Osnove mikroelektronike