Trong chương 1, transistor Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) đã được giới thiệu về hoạt động của nó như một công tắc lý tưởng. Như chúng ta đã thấy, hiệu suất và sức mạnh của chip phụ thuộc vào dòng điện và điện dung của các transistor và dây dẫn. Trong chương này, chúng ta sẽ xem xét các đặc tính của transistor MOS một cách chi tiết hơn. Hình 2.1 cho thấy một số ký hiệu thường được sử dụng cho các transistor MOS.
Hình 0.23: Hoạt động của cấu trúc MOS
Trong transistor dòng điện trên kênh dẫn giữa cực nguồn và cực máng được điều khiển bởi điện áp đặt vào cực cổng. Trong một transistor nMOS, phần lớn hạt tải điện là các điện tử, trong một transistor pMOS, phần lớn các hạt tải điện là các lỗ. Hoạt động của transistor MOS có thể được hiểu bằng cách kiểm tra cấu trúc MOS biệt lập với cực cổng và phần thân nhưng không có cực nguồn hoặc cực máng. Hình 2.2 cho thấy một cấu trúc MOS đơn giản. Lớp trên cùng của cấu trúc là một chất dẫn điện tốt được gọi là cực cổng. Các transistor ban đầu sử dụng cổng kim loại. Cực cổng của transistor nhanh chóng được thay đổi bằng đa silic
(polysilicon), tức là silic được hình thành từ nhiều tinh thể nhỏ, mặc dù các cổng kim loại đang được sử dụng lại ở bước sóng 65 nm trở lên. Lớp giữa là một màng cách nhiệt rất mỏng của SiO2 được gọi là oxit cổng. Lớp dưới cùng là lớp thân - một lớp silic pha tạp chất. Hình 2.2 cho thấy một lớp thân loại p, trong đó các hạt tải điện là các lỗ. Lớp thân được nối đất và một điện áp được dùng cho cực cổng. Oxit cổng là chất cách điện tốt nên dòng điện gần như bằng không chảy từ cổng vào lớp thân.
Hình 0.24: Các vùng hoạt động của cấu trúc MOS
Trong hình 2.2(a), một điện áp âm được đặt vào cổng nên có điện tích âm trên cổng. Các lỗ tích điện dương bị hút vào vùng bên dưới cực cổng. Đây được gọi là chế độ tích lũy. Trong hình 2.2(b), một điện áp dương nhỏ là được áp dụng cho cực cổng, dẫn đến một số điện tích
dương trên cực cổng. Các lỗ trên thân là bị đẩy lùi khỏi khu vực ngay bên dưới cực cổng, dẫn đến hình thành một vùng nghèo bên dưới cực cổng. Trong Hình 2.2(c), điện áp đầu vào vượt quá ngưỡng tới hạn điện áp Vt được đặt vào, thu hút nhiều điện tích dương hơn đến cổng. Các lỗ trống bị đẩy lùi xa hơn và một số điện tử tự do trong lớp thân bị hút vào vùng bên dưới cực cổng. Lớp dẫn điện này trong lớp thân loại p được gọi là lớp nghịch chuyển. Điện áp ngưỡng phụ thuộc vào nồng độ pha tạp trong lớp thân và độ dày của oxit.
Hình 2.3 mô tả một transistor nMOS. Transistor bao gồm hai vùng pha tạp loại n được gọi là cực nguồn và cực máng kèm theo các lớp vật liệu khác ở giữa hai lớp này. Trong hình 2.3-a, điện áp cực cổng và cực nguồn Vgs nhỏ hơn điện áp ngưỡng. Tại cực nguồn và cực máng có các electron tự do. Tại lớp thân kiểu p (p-type body) có các lỗ trống tự do nhưng không có các electron tự do (Giả sử lớp thân được nối đất). Các điểm tiếp xúc giữa lớp thân và cực nguồn hoặc cực máng không phân cực hoặc phân cực ngược, do đó dòng điện chạy qua rất ít hoặc bằng không. Chúng tôi nói transistor là OFF, và chế độ hoạt động này được gọi là ngắt.
Thường thuận tiện để ước tính dòng điện qua transistor OFF là 0, đặc biệt là trong so sánh với dòng điện qua transistor trong chế độ ON. Tuy nhiên, hãy nhớ rằng một lượng nhỏ dòng điện rò rỉ qua các transistor khi OFF có thể trở nên đáng kể, đặc biệt là khi nhân với hàng triệu hoặc hàng tỷ transistor trên một con chip. Trong hình 2.3-b, điện áp cực cổng lớn hơn điện áp ngưỡng. Lúc này có một vùng đảo ngược của các electron (phần lớn hạt tải điện) được gọi là kênh kết nối cực nguồn và cực máng, tạo ra một kênh dẫn và làm transistor ON. Số lượng hạt tải điện và độ dẫn điện tăng lên theo điện áp cực cổng. Sự chênh lệch giữa cực máng và cực nguồn là Vds = Vgs - Vgd. Nếu Vds = 0 (tức là Vgs = Vgd), không có điện trường để đẩy dòng điện từ cực máng sang cực nguồn.
Khi một điện thế dương Vds nhỏ được đưa vào cực máng hình 2.3-c, dòng điện Ids chảy qua kênh từ cực máng đến cực nguồn. Chế độ hoạt động này được gọi là tuyến tính. Dòng điện
Hình 0.25:Bóng bán dẫn pMOS
tăng với cả điện áp cực máng và điện áp cực cổng. Nếu Vds trở nên đủ lớn mà Vgd < Vt, kênh không còn được đảo ngược gần cực máng và trở nên bị thắt như hình 2.3-d. Đây là chế độ bão hòa. Tuy nhiên, vẫn có dòng điện Ids qua kênh bởi sự vận động của các điện tử dưới ảnh hưởng của điện áp thoát dương. Khi các điện tử đến cuối kênh, chúng được đẩy vào vùng nghèo gần cực máng và được tăng tốc về phía cực máng. Trên điện áp cực máng này, dòng Ids chỉ được điều khiển bởi điện áp cực cổng và không còn bị ảnh hưởng cực máng. Chế độ này được gọi là bão hòa.
Tóm lại, transistor nMOS có ba chế độ hoạt động. Nếu Vgs < Vt, transistor bị cắt (OFF).
Nếu Vgs > Vt, transistor ON. Nếu Vds nhỏ, transistor hoạt động như một điện trở tuyến tính trong đó dòng điện tỷ lệ với Vds. Nếu Vgs > Vt và Vds lớn, transistor hoạt động như một nguồn dòng trong đó dòng điện trở nên độc lập với Vds. Transistor pMOS trong hình 28 hoạt động ngược lại. Lớp thân loại n được gắn với một điện thế cao nên các điểm nối với cực nguồn và cực máng loại p thường được phân cực ngược. Khi cực máng cũng ở mức điện thế cao, không có dòng điện nào chạy giữa cực máng và cực nguồn. Khi điện áp cực cổng được hạ xuống một ngưỡng Vt, các lỗ sẽ bị thu hút để tạo thành kênh loại p ngay bên dưới cực cổng, cho phép dòng điện chạy giữa cực nguồn và cực máng.
Mặc dù các transistor MOS là đối xứng, theo quy ước, chúng ta nói rằng phần lớn các hạt mang điện tích chảy từ nguồn đến máng của chúng. Bởi vì các electron mang điện tích âm, cực nguồn của một transistor nMOS có điện áp thấp hơn hai cực còn lại. Các lỗ mang tích điện dương vì vậy cực nguồn của một transistor pMOS có điện áp cao hơn hai cực còn lại. Trong các cổng CMOS tĩnh, cực nguồn gần với đường cung cấp nguồn và cực máng là cực gần đầu ra hơn.