De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 1 Digitale bouwstenen Lesmateriaal en syllabus gebaseerd op boek “Digital Integrated Circuits”,

Verwante presentaties


Presentatie over: "Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 1 Digitale bouwstenen Lesmateriaal en syllabus gebaseerd op boek “Digital Integrated Circuits”,"— Transcript van de presentatie:

1 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 1 Digitale bouwstenen Lesmateriaal en syllabus gebaseerd op boek “Digital Integrated Circuits”, J.M. Rabaey, 2 nd edition, ©2003 en bijhorende slides dr. ir. Joni Dambre - prof. dr. ir. Jan Doutreloigne

2 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 2 Hoofdstuk 2: Halfgeleidercomponenten Lesmateriaal en syllabus gebaseerd op boek “Digital Integrated Circuits”, J. M. Rabaey, 2 nd edition, ©2003, en bijhorende slides cursus “Elektronica I” uit het oud programma en bijhorende slides, ©2003, J. Van Campenhout

3 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 3 Overzicht Basisbegrippen over halfgeleiders De diode: opbouw, werking en modellering De MOSFET: opbouw, werking en modellering

4 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 4 Overzicht Basisbegrippen over halfgeleidersBasisbegrippen over halfgeleiders De diode: opbouw, werking en modellering De MOSFET: opbouw, werking en modellering

5 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 5 Vaste-stoffysica: atoomorbitalen Geïsoleerde atomen: ‑ elektronen bewegen zich op orbitalen ‑ toegelaten energiewaarden van deze orbitalen vormen discreet spectrum ‑ meerdere orbitalen (s, p, d, …) voor zelfde energie Meeratomige molecules: ‑ sommige orbitalen spreiden zich uit over hele molecule ‑ energieniveaus moeten splitsen (Pauli – slechts 2 elektronen met tegengestelde spin toegelaten per energieniveau)

6 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 6 Vaste-stoffysica: energieniveaus in een kristalrooster Ideale vaste stof: ‑ kristal = heel grote molecule ‑ Valentielektronen die covalente binding vormen niet gelokaliseerd aan atomen ‑ Ontstaan van heel veel energieniveaus dicht bij elkaar

7 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 7 Vaste-stoffysica: het ontstaan van energiebanden Ontstaan van banden van toegelaten energie Elektronen op buitenste schil komen in twee banden: “valentie” en “conductie”, die zich uitstrekken over het volledig kristal Ontstaan van banden van toegelaten energie Elektronen op buitenste schil komen in twee banden: “valentie” en “conductie”, die zich uitstrekken over het volledig kristal Afstand tussen de atomen Afstand in kristal

8 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 8 Vaste-stoffysica: metalen, isolatoren en halfgeleiders Elektrische eigenschappen van stoffen bepaald door onderlinge ligging van valentie- en conductieband (de bandafstand E g ): ‑ Metalen: overlappende banden (zie figuur links: magnesium) ‑ Isolatoren: sterk gescheiden banden (E g > 4 eV) ‑ Halfgeleiders: zwak gescheiden banden (E g = 0,6 - 2,0 eV)

9 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 9 De stoffen die ons interesseren: groepen IV, III-V, II-VI Vormen een regelmatig rooster met 4 covalente bindingen per atoom Enkele bandafstanden: Si (IV): E g = 1.1 eV Ge (IV): E g = 0.66 eV GaAs (III-V): E g = 1.42 eV CdSe (II-VI): E g = 1.7 eV Diamant (IV): E g = 5.47 eV Bandafstand te groot: geen halfgeleider!

10 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 10 Vaste-stoffysica: metalen, isolatoren en halfgeleiders Bandafstand van halfgeleiders licht temperatuursafhankelijk:

11 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 11 Vaste-stoffysica: kristalstructuur van silicium Densiteit atomen: 5·10 22 cm -3

12 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 12 Vrije ladingsdragers: gaten en elektronen Energieniveaus in conductie- en valentieband strekken zich uit over volledig kristal en over continu interval van energiewaarden Elektronen zitten dus niet vast op één plaats maar kunnen, binnen dezelfde band, van atoom naar atoom bewegen, op voorwaarde dat de band niet volledig volzet is Energie van elektron is probabilistische grootheid en functie van de temperatuur: 1   f De Fermi-Dirac distributie: 0 0.5 ff  met  f het Fermi-niveau

13 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 13 Densiteit van elektronen in de conductieband en gaten in de valentieband : met: ‑ N(  ) aantal toestanden met energie  ‑ P(  ) de Fermi-Dirac bezettingskans ‑ V het volume van het kristal Elektrische neutraliteit vereist n C = p V ; deze voorwaarde bepaalt de ligging van het Fermi-niveau Elektronen in de conductieband kunnen zich verplaatsen onder invloed van een elektrisch veld In de valentieband blijven geïoniseerde Si+ atomen achter die een elektron kunnen ‘vangen’, waardoor het positieve ‘gat’ zich a.h.w. verplaatst en zich eveneens gedraagt als een vrije ladingsdrager Vrije ladingsdragers: gaten en elektronen    

14 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 14 Ligging Fermi-niveau zorgt voor elektroneutraliteit E (ev) 0.4 0.8 1.2 1.6 N(E)N(E) P( E ) N( E ) P( E ) N( E )(1- P( E )) P( E ) N( E ) P( E ) N( E )(1- P( E )) P(E)P(E) N ( E ) P ( E ) N ( E )(1- P ( E )) EgEg conductieband valentieband EfEf

15 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 15 Gaten en elektronen in thermodynamisch evenwicht Geldt enkel in thermodynamisch evenwicht! Geldt onafhankelijk van ligging Fermi-niveau Zeer sterk afhankelijk van temperatuur in Si is bij T=273K: n i = 1.45 x 10 10 cm -3 vergelijk met atoomconcentratie: 5 x 10 22 cm -3 T

16 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 16 Gedopeerde halfgeleiders Toevoegen van zeer kleine hoeveelheden 3-waardig (B, Al) of 5- waardig (P, As, Sb) materiaal aan Si of Ge ‑ concentraties: 10 14 tot 10 19 cm -3 ‑ dit is ten hoogste 1 doperingsatoom per 5·10 3 Si-atomen

17 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 17 Minoritairen en majoritairen Thermische agitatie (Fermi-Dirac-statistiek): thermisch gegenereerde gaten en elektronen: n th en p th Bij kamertemperatuur: vrijwel alle doperingsatomen geïoniseerd Atomen creëren extra gelokaliseerde orbitalen in kristal ‑ dicht bij conductieband voor donor (P, As, Sb) ‑ dicht bij valentieband voor acceptor (B, Al) Zeer gemakkelijk te ioniseren (< 0,05 eV) – thermische agitatie is voldoende!

18 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 18 Minoritairen en majoritairen Ligging van Fermi-niveau past zich aan: verschuift naar band met hoogste concentratie: ‑ naar conductieband voor n-dopering:  f =  C – kT/q ln(n C /N D ) ‑ naar valentieband voor p-dopering:  f =  V + kT/q ln(p V /N A ) ‑ Als twee doperingen tegelijkertijd: compensatie (gedrag volgens sterkste dopering) ff ff

19 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 19 Fermi-niveau in gedopeerde halfgeleiders Ligging Fermi-niveau hangt af van: ‑ doperingsconcentratie ‑ temperatuur Fermi-niveau voor Si, met n- en p- dopering (verschoven, zodat centrum band-gap = 0)

20 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 20 Minoritairen en majoritairen Voorbeeld met donordopering N D :

21 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 21 Gedoteerde halfgeleider: temperatuursgedrag Intrinsiek Extrinsiek "Freeze out" kamertemperatuur

22 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 22 Transportmechanismen Creatie van ladingsdragers n en p is een dynamisch proces: spel van generatie en recombinatie Generatie: ‑ thermisch (interacties met roostertrillingen) ‑ optisch ‑ injectie Recombinatie: ‑ toevalsmechanisme, evenredig met product van concentraties (massawet) Ladingsdragers zijn dus maar beperkte tijd ‘vrij’, maar tijdschaal groter dan tijdschaal van beschouwde ladingstransporten

23 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 23 Drift onder macroscopisch elektrisch veld Deeltjes krijgen een gemiddelde driftsnelheid evenredig met  en E; wordt opgedaan als energietoename tussen verstrooiingen in  in cm 2 /(Vs)  mobiliteit van de vrije ladingsdragers; mobiliteit van elektronen is typisch 2 tot 3 maal groter dan die van gaten Elektronen- en gatenmobiliteiten voor Si, gedopeerd met P en B

24 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 24 Drift onder macroscopisch veld Deeltjes krijgen een gemiddelde driftsnelheid  E; wordt opgedaan als energietoename tussen verstrooiingen in  in cm 2 /(Vs)  mobiliteit van de vrije ladingsdragers; mobiliteit van elektronen is typisch 2 tot 3 maal groter dan die van gaten Stroomdichtheid door drift in halfgeleiders (verplaatste lading per tijdseenheid en per volume-eenheid): ‑ evenredig met elektrische veldsterkte ‑ evenredig met mobiliteit van ladingsdragers (verschillend voor n en p, en neemt af voor te hoge dopering) ‑ evenredig met concentratie van ladingsdragers (neemt to met stijgende dopering)

25 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 25 Weerstand van gedopeerde halfgeleiders L W t

26 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 26 Drift onder macroscopisch veld Bij sterkere velden: saturatie van de snelheid naar 10 7 cm/s E

27 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 27 Diffusie bij gradiënt in de concentratie Wanneer concentratie niet uniform, dan lopen er bij plaatselijk symmetrische snelheidsdistributie netto deeltjes naar plaats met lagere concentratie: Drift en diffusie samen: minoritairen bewegen hoofdzakelijk door diffusie majoritairen bewegen hoofdzakelijk door drift

28 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 28 Elektrostatisch veld in halfgeleider Veronderstel sterk, extern opgedrongen elektrostatisch veld in dik stuk p-gedopeerde halfgeleider, maar geen stroom Vraag: wat gebeurt er in de halfgeleider? E V volt 0 volt x

29 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 29 Elektrostatisch veld in halfgeleider E V volt 0 volt x (  m) Vrije gaten ‘weggeduwd’ door elektrisch veld (vrije elektronen aangetrokken) Acceptoratomen geïoniseerd en dus negatief geladen Als veld voldoende sterk, bijkomende elektronen aangetrokken: materiaal wordt n- type

30 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 30 Afbuiging van de banden en veldinversie E V volt 0 volt x (  m)

31 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 31 Te onthouden Eigenschappen van halfgeleiders zeer temperatuursgevoelig Transport van ladingen via drift of diffusie Mobiliteit van gaten en elektronen verschillend: voor gelijke doperingsconcentratie dus hogere resistiviteit voor p-Si Opbouw van volumelading bij elektrostatisch veld zonder stroom: ‑ opbouw ontruimingslaag ‑ grote veldsterkte: inversie van gedrag (n-type naar p-type of omgekeerd)

32 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 32 Overzicht Basisbegrippen over halfgeleiders De diode: opbouw, werking en modelleringDe diode: opbouw, werking en modellering De MOSFET: opbouw, werking en modellering

33 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 33 De vorming van een junctie Breng p- en n-type materiaal bij elkaar Geen evenwicht wegens concentratiegradiënt: gaten uit p-type en elektronen uit n-type kunnen energie verlagen door zich te verplaatsen (diffusie)

34 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 34 De vorming van een junctie: bandendiagram E P N Ladingen die diffunderen laten verankerde volumelading achter Veld zorgt voor bandverschuiving tot driftstroom = - diffusiestroom Uiteindelijk bandendiagram: ‑ thermodynamisch evenwicht: Fermi-niveau vlak ‑ banden zijn onderling verschoven o.i.v. elektrisch veld ff  cc ii q0q0 vv

35 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 35 De vorming van een junctie Junctie = monokristallijne halfgeleider met abrupte overgang tussen p-type en n-type dopering Overgang tussen ontruimingslaag en neutrale zones: bij benadering abrupt

36 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 36 De vorming van een junctie Sperlaag dun bij hoge dopering (orde  m of minder) Spreidt zich het meest uit in gebied met zwakste dopering

37 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 37 De vorming van een junctie Diffusiespanning, afhankelijk van dopering: staat volledig over sperlaag

38 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 38 Geïntegreerde diode A B diodesymbool In digitale ICs treden diodes hoofdzakelijk op als parasitaire elementen p n BA SiO 2 Al Doorsnede van een pn-junctie in een IC-proces

39 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 39 Voorwaartse en inverse polarisatie V > 0 V =0 V < 0

40 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 40 Voorwaartse polarisatie Aangelegde spanning vermindert veld over sperlaag Sperlaag wordt dunner: verplaatsing van lading via diffusiestroom Majoritairen worden geïnjecteerd in sperlaag en diffunderen er doorheen: zorgen voor verhoogde minoritairenconcentratie aan andere kant, die exponentieel afneemt door recombinatie Is meestal ongewenste situatie in digitale ICs! minoritairenconcentratie zonder aangelegde spanning + - Diffusie van majoritairen diffusie van minoritairen (tot recombinatie) diffusie

41 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 41 Inverse polarisatie Aangelegde spanning maakt veld over sperlaag groter Diffusiestroom neemt af: driftstroom krijgt overhand, sperlaag wordt dikker Geleiding via drift van minoritairen doorheen sperlaag (elektrisch veld) Zeer kleine stroom: gedragen door minoritairen! Is de gewenste situatie in digitale ICs (zo weinig mogelijk stroom doorheen juncties)! minoritairenconcentratie zonder aangelegde spanning + - drift vermindering van diffusiestroom

42 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 42 Het Shockley-model Si-diode heeft voorwaartse ‘drempelspanning’ van 0.5V - 0.8V Sperstroom I S is zeer temperatuursafhankelijk! Model houdt geen rekening met niet-ideale effecten van reële dioden: ‑ sperlaagrecombinatie of -generatie ‑ oppervlakte-effecten ‑ sterke injectie ‑ serieweerstand serie- weerstand Benadering: idealiteitsfactor n

43 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 43 Doorslag Inverse diodestroom neemt snel toe nabij een doorslagpunt Twee mechanismen: lawinedoorslag en tunneling ‑ lawinedoorslag bij zwak- gedopeerde juncties en grote spanningen ‑ tunneling bij sterk-gedopeerde juncties en lage spanningen V I VzVz

44 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 44 Lawinedoorslag Bij lage dopering (brede sperlaag) en sterke inverse spanning Elektronen versnellen in sperlaag tot grote snelheden Bij botsing: energie voldoende om nieuwe vrije ladingsdragers te genereren...... die op hun beurt... : lawine-effect

45 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 45 Tunneling-doorslag Sterke dopering = dunne sperlaag conductieband (n) en valentieband (p) gescheiden door heel dunne potentiaalberg gebeurt al bij lage inverse spanning

46 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 46 De diode als condensator Verandering van diodespanning = wijziging ladingsconcentraties Invers: verbreding van de sperlaag bij toenemende inverse spanning Voorwaarts: opslag van overmaat aan minoritairen in het diffusiegebied

47 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 47 Voorwaartse werking: diffusiecapaciteit Wordt bepaald door hoeveelheid lading die per tijdseenheid door diffusie kan getransporteerd worden Niet zo belangrijk voor digitale circuits, want voor voorwaartse werking P N PN +V D

48 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 48 Inverse werking: sperlaagcapaciteit P N PN -V D Diodecapaciteit voor een abrupte junctie Invloed van niet-abrupte junctie

49 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 49 Modellen voor manuele analyse (a) Shockley-model voor de ideale diode (b) Eerste-orde diodemodel (enkel diodedrempel)

50 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 50 Modellen voor reële dioden Houden rekening met de capaciteit (sperlaag + diffusie) en met de serieweerstand van de diode

51 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 51 SPICE parameters

52 Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 52 Te onthouden Diodes in digitale IC's = parasitairen door aanwezige juncties Zo laag mogelijke stroom: steeds invers gepolariseerd Inverse diodestroom (lekstroom) heel klein maar NIET = 0 Diodestroom erg temperatuursafhankelijk Dynamisch: niet-lineaire, spanningsafhankelijke capaciteit


Download ppt "Digitale bouwstenen, J. Dambre & J. Doutreloigne, 2004 1 Digitale bouwstenen Lesmateriaal en syllabus gebaseerd op boek “Digital Integrated Circuits”,"

Verwante presentaties


Ads door Google