Pengantar Tabung MOS Dan Keuntungan Intrinsik

MOS, yang merupakan singkatan dari nama bahasa Inggris dari transistor efek medan semikonduktor oksida logam, adalah perangkat semikonduktor unik yang mengontrol arus loop keluaran melalui efek medan listrik, yang menjadi asal muasal namanya. Perangkat ini terutama bergantung pada sebagian besar pembawa semikonduktor untuk menghantarkan listrik, sehingga juga diklasifikasikan sebagai transistor unipolar. Selain transistor MOS, ada berbagai jenis seperti Junction FET (JFET), FET logam-semikonduktor, JLFET, dan QWFET. Di antara jenis-jenis ini, transistor MOS adalah pilihan yang paling umum digunakan karena banyak kelebihannya, seperti resistansi masukan yang tinggi, konsumsi daya yang rendah, kebisingan yang rendah, dan kemudahan integrasi, dan banyak digunakan dalam rangkaian analog dan digital, dan menempati posisi absolut. posisi dominan di pasar, jauh melebihi transistor bipolar (BJT).

715-031986-005 Ruang Reaksi Hsg Lwr

Transistor MOS dibagi lagi menjadi NMOS (tipe saluran-N) dan PMOS (tipe saluran-P), keduanya termasuk dalam FET gerbang terisolasi. Ketika NMOS dan PMOS digabungkan secara cerdik, keduanya membentuk apa yang sering kita sebut perangkat CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Struktur NMOS dirancang dengan sangat indah, termasuk tiga elektroda utama: Sumber (S), Gerbang (G), dan Saluran (D), yang secara fungsional dapat dikorelasikan ke emitor, basis, dan kolektor transistor bipolar. , seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Diagram skema struktur NMOS

0040-09723 -unibody, Ruang Etch

Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah, jika tidak ada tegangan yang diterapkan ke gerbang selama pengoperasian NMOS, arus tidak dapat terbentuk antara daerah sumber dan saluran karena kurangnya saluran konduktif. Namun, ketika tegangan positif yang cukup besar diterapkan ke gerbang, tegangan ini bertindak seperti magnet untuk menarik sejumlah kecil pembawa-elektron-dalam substrat tipe-P, menyebabkan mereka terkonsentrasi di persimpangan gerbang dan substrat. Dengan akumulasi elektron, lapisan terbalik yang penuh elektron akan terbentuk pada permukaan substrat, yang sebenarnya membalikkan daerah tipe-P asli menjadi daerah tipe-N, sehingga memberikan saluran lancar untuk arus, sehingga sehingga elektron pada daerah sumber dapat mengalir dengan lancar ke daerah saluran sehingga membentuk arus. Proses ini menunjukkan esensi transistor MOS sebagai perangkat pengontrol tegangan, yaitu tegangan gerbang digunakan untuk mengatur arus antara sumber dan saluran secara tepat. Lapisan terbalik ini menciptakan jalur transpor elektron yang efisien, yang memungkinkan elektron di daerah sumber mengalir terus menerus ke daerah saluran, sehingga menghasilkan pembentukan arus listrik. Oleh karena itu, transistor MOS pada dasarnya adalah perangkat pengontrol tegangan, yang intinya adalah mengontrol secara tepat arus antara sumber dan saluran pembuangan melalui tegangan gerbang. Kami mendefinisikan tegangan gerbang minimum yang diperlukan untuk menghidupkan FET sebagai tegangan ambang batas. Gerbang memainkan peran sebagai saklar di sini: ketika tegangan gerbang turun di bawah tegangan ambang batas atau ketika tegangan gerbang dihilangkan, gerbang dimatikan, mencegah lewatnya arus antara sumber dan saluran pembuangan; Ketika tegangan gerbang berada di atas tegangan ambang batas, saluran akan terbuka dan memungkinkan arus antara sumber dan saluran mengalir dengan bebas.

Sifat listrik NMOS
Selanjutnya, kami menguraikan proses persiapan tabung NMOS yang khas. Pertama, lapisan epitaksi dibentuk pada substrat silikon melalui pertumbuhan epitaksi, langkah ini bertujuan untuk mendapatkan kristal tunggal silikon dengan kandungan oksigen rendah, yang merupakan bagian semikonduktor (S) dari tabung MOS, dan kemudian oksida lapangan dibuat dengan cara teknik oksidasi, fotolitografi, dan etsa, yang digunakan untuk mengisolasi tabung MOS yang berbeda dan mencegah gangguan listrik di antara keduanya. Selanjutnya, proses oksidasi dilewatkan untuk menghasilkan lapisan gerbang oksida, yaitu bagian oksida (O) dalam tabung MOS. Langkah selanjutnya adalah mendepositkan bahan polisilikon dan membentuk gerbang polisilikon melalui proses fotolitografi dan etsa, meskipun polisilikon bukan logam dalam pengertian tradisional, namun memiliki konduktivitas yang baik setelah doping dan cocok untuk proses sirkuit terpadu, sehingga menggantikan logam sebelumnya. bahan aluminium. Kemudian memasuki tahap produksi zona sumber dan zona kebocoran, yang terlebih dahulu dilakukan proses fotolitografi, dilanjutkan dengan injeksi ion fosfor, dan dianil untuk menstabilkan struktur. Hal ini diikuti dengan pengendapan lapisan kaca fosfosilikat (PSG) sebagai lapisan dielektrik, yang dihaluskan melalui proses pengendapan dan reflow, sehingga meletakkan dasar yang baik untuk langkah litografi selanjutnya. PSG kemudian dilakukan fotolitografi dan etsa untuk menciptakan pola yang diinginkan. Selanjutnya, paduan aluminium-silikon diendapkan sebagai bahan sambungan logam, dan sambungan logam dibuat melalui proses fotolitografi dan etsa. Terakhir, lapisan silikon nitrida disimpan sebagai lapisan pelindung pasivasi untuk memberikan perlindungan dan stabilitas tambahan pada seluruh perangkat.

Keuntungan intrinsik dari tabung MOS
Penguatan sinyal kecil frekuensi rendah maksimum yang dapat ditunjukkan oleh transistor dalam konfigurasi penguat sumber umum didefinisikan sebagai penguatan intrinsik transistor MOS, yang dapat dinyatakan sebagai

Proses derivasi terperinci dihilangkan di sini. Menurut rumus ini, penguatan intrinsik transistor MOS berbanding terbalik dengan tegangan overdrive dan koefisien modulasi panjang alur λ. Karena λ berbanding terbalik dengan panjang saluran L pada tabung MOS, penguatan intrinsik meningkat seiring dengan bertambahnya L. Secara teoritis, penguatan intrinsik transistor MOS dapat ditingkatkan dengan menurunkan tegangan overdrive dan meningkatkan L. Namun, keduanya operasi ini memperlambat kecepatan kerja tabung MOS. Oleh karena itu, dalam desain sirkuit sebenarnya, kita perlu melakukan trade-off antara penguatan dan kecepatan. Keseimbangan antara penguatan dan kecepatan selalu menjadi isu sentral dalam bidang desain sirkuit terpadu analog. Perlu diperhatikan persamaan berikut dapat dilihat

Penguatan intrinsik transistor MOS mirip dengan penguatan intrinsik ketika merancang efisiensi transkonduktansi, namun penguatan intrinsik juga dipengaruhi oleh panjang saluran. Ketika ukuran fitur perangkat MOS terus menyusut, perolehan intrinsiknya pun menurun, sehingga menimbulkan tantangan yang semakin besar terhadap desain kami.

Selain itu perlu diwaspadai bahwa tegangan overdrive yang terlalu rendah dapat menyebabkan transistor MOS memasuki daerah subthreshold, dimana karakteristik operasi transistor MOS sangat berbeda dengan daerah saturasi, dan banyak rumus dan rumus yang relevan. teori tidak lagi berlaku.