501. МОХ оронгийн транзистор

4.1. Бүтэц, физик шинж чанар

4.1-р зурагт n сувагтай сайжруулсан МОХ оронгийн транзисторыг үзүүллээ. Сайжруулсан болон n сувагт гэж нэрлэсний утгыг дараа тайлбарлах болно. Энэ төрлийн транзисторыг үйлдвэрлэхдээ р төрлийн хагас дамжуулагч бүхий их бие дээр n+ drain, n+ source гэж нэрлэгдэх маш их хольцтой n төрлийн мужийг үүсгэнэ. Үүний дараа drain, source 2-ын хооронд 2-50нм зузаантай цахиурын оксидын маш нимгэн үеийг үүсгэх ба энэ нь маш сайн тусгаарлагч болдог юм. Drain ба source 2ын хоорондох цахиурын оксидын энэ үеийг ихэвчлэн ургуулах замаар гарган авна. Оксидын дээд талд металлын нимгэн үе тавьж gate гэж нэрлэгддэг электродыг суулгаж өгнө. Металл электродыг мөн drain, source болон их биеийн хэсгүүдэд суулгаж өгнө. Ингэснээр МОХ транзистор нь gate-ийн төгсгөл G, source-ийн төгсгөл S, drain-ий төгсгөл D, их биеийн төгсгөл В гэсэн 4 төгсгөлтэй болно.

Зураг 4.1 n сувагтай сайжруулсан МОХ транзистор. Ерөнхийдөө сувгийн өргөн 0,2-100мкм, урт 0,1-3мкм, оксидын зузаан 2-50нм хэмжээстэй байна.

Эндээс үндэслэн үүнийг металл-оксид-хагас дамжуулагч буюу МОХ транзистор гэж нэрлэнэ. Сүүлийн үед МОХ транзисторыг үйлдвэрлэхдээ цахиуран гейт технологийг ашиглах болсноор Gate-ийн металл электродын оронд хагас дамжуулагч цахиурыг хэрэглэх болсон. Бидний тайлбарлаж буй МОХ транзистор бол электродон гейт бүхий транзистор юм.

Source ба drain-ий мужид np шилжилтийн муж үүсч байгааг түүний бүтцээс харж болно. Ерөнхий тохиолдолд эдгээр np шилжилтүүдийг үргэлж урвуу холбогдсон байхаар холбох шаардлагатай. Хэрэв drain-д үргэлж source-тэй харьцангуй нэмэх хүчдэл өгнө гэж тооцвол их биеийг source-тэй холбох нь дээрх 2 np шилжилтийг урвуу холбогдсон байлгах хамгийн хялбар арга юм. Ингэсэн тохиолдолд МОХ транзисторын ажиллагааг тайлбарлана. Иймээс цаашид МОХ транзисторыг S source, D drain, G gate гэсэн 3 төгсгөлтэй элемент шигээр төлөөлүүлэн үзэх болно. Энэ нь МОХ транзистор нь G gate дээрх хүчдлээр D drain ба S source 2-ын хоорондох гүйдлийг удирддаг элемент гэж үзэх боломжийг олгоно.

Энэхүү гүйдэл нь drain-аас source уруу чиглэх ба суваг гэж нэрлэгддэг мужаар гүйнэ. Энэхүү сувгийн урт L, сувгийн өргөн W байх ба эдгээр нь МОХ транзисторын маш чухал үзүүлэлт юм. Ерөнхийдөө L нь 0,1-3 микрометр, W нь 0,2-100 микрометрийн хооронд байдаг. Эцэст нь хэлэхэд МОХ транзистор маш симметр элемент бөгөөд түүний drain, source төгсгөлүүдийн байрыг солиход ямар нэгэн нөлөө үзүүлдэггүй.

4.2 Gate дээр хүчдэл өгөөгүй байх үеийн транзистор

Хэрэв gate дээр ямар нэгэн хүчдэл өгөөгүй бол drain ба source-ийн хооронд 2 эсрэг тийшээ харсан back-to-back диод байрлана. Энэхүү back-to-back диодны нөлөөгөөр drain дээр source-тай харьцангуй хичнээн ч нэмэх хүчдэл өгсөн drain, source-ийн хооронд гүйдэл гүйхгүй. Энэ нь drain-source-ийн хоорондох эсэргүүцэл маш ихийг /ойролцоогоор 10-ийн 12 зэрэг Ом байдаг/ харуулж байна.

4.3 Суваг үүсгэх

Хэрэв drain, source-ийг газардуулаад gate дээр source-тэй харьцангуй нэмэх хүчдэл өгье. Энэхүү нэмэх хүчдлийн нөлөөгөөр эхлээд gate-ийн доорх их биеийн мужид байрлах нэмэх цэнэгтэй  цахиурын нүхнүүд их биеийн доод хэсэг рүү түлхэгдэж зөөгчөөр хомсдолтой муж үүснэ. Энэ хомсдолтой мужийг хасах цэнэгтэй акцепторын атомууд ирж дүүргэнэ.

Gate дээрх нэмэх хүчдлийн нөлөөгөөр хэт их хольцтой n төрлийн хагас дамжуулагчууд болох drain болон source-ээс электронуудыг татан электроны сувгийн муж уруу аваачна. Сувгийн мужид хангалттай их тооны электронууд цугларах үед энд n төрлийн муж үүснэ. Хэрэв энэ үед drain дээр source-тэй харьцуулахад нэмэх хүчдэл өгвөл энэхүү n төрлийн сувгаар дамжин drain-source-ийн хооронд гүйдэл гүйнэ. Иймээс энэ транзисторыг n сувагтай МОХ транзистор гэнэ. Энд тэмдэглэж хэлэхэд n төрлийн суваг нь p төрлийн их биед үүсэх ба суваг нь р төрлийн их биеийн тодорхой хэсгийг n төрлийн хагас дамжуулагч болгон хувиргах замаар үүсч байгаа юм. Энэ үүсмэл сувгийг мөн инверсийн үе гэж нэрлэх явдал ч бий.

Энэ суваг үүсгэх буюу gate-ийн доод талд их биеийн хэсэгт хангалттай тооны электрон цуглуулах gate-source-ийн хоорондох хүчдлийн хамгийн бага утгыг босго хүчдэл гэх ба Vt гэж тэмдэглэнэ. Энэ хүчдэл нь n сувагтай МОХ транзисторын хувьд нэмэх утгатай байна. Энэ хүчдлийн утгыг үйлдвэрлэлийн технологийн үед тогтоож өгөх ба ерөнхийдөө 0,5-1в-ийн хооронд утгатай байна. Зураг 4.2-т n сувагтай МОХ транзисторыг үзүүллээ.

Зураг 4.2 Гейт дээр нэмэх хүчдэл өгөх үед гейтийн доод талд их биеийн хэсэгт n төрлийн суваг бүхий муж үүснэ.

Gate ба сувгийн муж нь хоорондоо оксидоор тусгаарлагдсан хавтгай конденсатортай төсөөтэй бүтцийг үүсгэнэ. Gate дээр нэмэх хүчдэл өгвөл дээрх конденсаторын дээд ялтас дээр нэмэх цэнэг хуримтлагдана. Энэ үед конденсаторын доод ялтсын хэсэгт хасах цэнэгтэй электронууд цугларна. Үүний улмаас цахилгаан орон үүснэ. Энэ цахилгаан орныг удирдах замаар суваг дахь цэнэгийн хэмжээг удирдана. Өөрөөр хэлбэл сувгийн дамжууллыг удирдах буюу drain дээр source-тэй харьцуулахад нэмэх хүчдэл өгөх үед сувгаар гүйх гүйдлийг удирдана.

4.4 Бага хэмжээний V_DS-ийн нөлөө

Хэрэв энэ үед drain дээр source-тэй харьцуулахад нэмэх v_DS хүчдэл өгвөл drain, source-ийн хоорондох сувгаар гүйдэл гүйнэ. Үүнийг зураг 4.3-т үзүүллээ.

Зураг 4.3 Бага хэмжээний v_DS хүчдэл өгөх үед сувгаар гүйдэл гүйнэ.

Эхлээд v_DS хүчдлийн хэмжээг маш бага гэж үзье. v_DS хүчдлийн улмаас сувгаар i_D гүйдэл гүйнэ. Drain-source-ийн хоорондох гүйдэл чөлөөт электроноор дамжигдан явагдана. Уламжлалт гүйдлийн чиглэл нь сөрөг цэнэгийн урсгалын эсрэг чиглэсэн байна. Энэхүү гүйдлийн хэмжээ нь суваг дахь электроны нягтаас хамаарах ба өөрөөр хэлбэл v_GS-ийн хүчдлээс хамаарна. Хэрэв v_GS хүчдэл босго хүчдэлтэй тэнцүү бол drain, source-ийн хооронд гүйдэл маш бага байна. Хэрэв v_GS хүчдлийн хэмжээг босго хүчдлээс ихэсгэвэл суваг уруу илүү олон электрон татагдсанаас сувгийн өргөн ихэснэ. Үүний үр дүнд сувгийн дамжуулал ихсэж, эсэргүүцэл багасна. Эндээс сувгийн дамжуулал нь v_GS-Vt хүчдлээс шууд хамаарч байна. v_GS-Vt хүчдлийг эффектив хүчдэл гэж нэрлэнэ. Иймээс v_DS хүчдлийн нөлөөгөөр транзистороор гүйх i_D гүйдэл нь v_GS-Vt эффектив хүчдлээс шууд хамаарна. 4.4-р зурагт gate дээрх хүчдлээс транзистораар гүйх гүйдэл хэрхэн хамаарахыг харууллаа. Эндээс МОХ транзистор нь v_GS-ээс хамаарсан шугаман эсэргүүцэл шигээр үзэж болохыг харж байна. Энэ эсэргүүцлийн хэмжээ v_GS хүчдэл Vt хүчдлээс бага үед хязгааргүй утгатай байна.

Зураг 4.4 v_DS бага үед сувгаар гүйх гүйдэл нь v_DS-ээс шууд хамаарах ба энэ үед транзисторыг шугаман эсэргүүцлээр төлөөлүүлэн үзэж болно.

v_GS дээрх хүчдлийг ихэсгэхэд суваг улам өргөсөж, сувгийн дамжуулал сайжирна. Үүнээс хамааран энэ төрлийн транзисторыг сайжруулсан МОХ транзистор гэж нэрлэнэ. Эцэст нь тэмдэглэж хэлэхэд source-ээр гүйх гүйдэл ба drain-аар гүйх гүйдлүүд тэнцүү ба gate-аар гүйх гүйдэл тэг байна. i_D=i_S , i_G=0

4.5 V_DS-г ихэсгэх үеийн нөлөө

Хэрэв v_DS хүчдлийг цааш ихэсгэвэл юу болохыг үзье. Үүний тулд v_DS-ийн хэмжээг 0-ээс эхлэн v_DS-ийн хооронд ихэсгэхэд суваг хэрхэн өөрчлөгдөхийг үзье. Сувгийн 2 төгсгөл дэх хүчдлийн ялгаа нь v_DS-ийн хэмжээнээс хамааран өөрчлөгдөнө. Жишээ нь source-ийн төгсгөл дэх хүчдэл нь v_GS бол drain-ий төгсгөл дэх хүчдэл нь v_GS-v_DS хэмжээгээр багасна. Ингэснээр суваг маань 4.5-аар зурагт үзүүлсэнчлэн трапец хэлбэртэй болсон байхыг харах болно. v_DS-г ихэсгэхэд энэ ялгаа улам ихсэх болно.

Зураг 4.5 v_DS-гийн хэмжээг ихэсгэхэд суваг илүү трапец хэлбэртэй болно.

4.6-аар зургаас транзистороор гүйх гүйдэл түүн дээр унах хүчдлээс шугаман хамаардаггүй болохыг харж болно. Эцсийн эцэст v_DS-г ихэсгээд байвал гейт ба сувгийн drain-ий төгсгөлийн хоорондох хүчдлийн зөрүү багасна. Хэрэв энэ зөрүү v_GD=Vt буюу v_GS - v_DS = Vt /v_DS=v_GS-Vt/ болох үед сувгийн drain талын төгсгөл бараг хаагдаж тэг болно. Энэ үед сувгийн хаагдлаа гэж хэлнэ. Үүнээс цааш v_DS-г ихэсгэхэд сувгаар гүйх гүйдэл бараг тогтмол болно. Энэ үед транзисторыг ханасан төлөвтөө орлоо гэж ярьдаг. Эндээс транзисторыг ханасан төлөвт нь оруулах v_DS-ийн утга:

                                                          (4.1)

Эндээс үзвэл v_GS-ийн утга болгонд ханалтын өөр өөр утга байдаг байх нь. Ханасан төлвөөс өмнөх төлвийг триод төлөв гэж нэрлэнэ.

Зураг 4.6 Транзистораар гүйх гүйдэл ба транзистор дээр унах хүчдлийн хамаарал

v_GS-ийг тогтмол байлгаад v_GS-ийг ихэсгэхэд суваг хэрхэн өөрчлөгдөхийг 4.7-аар зурагт үзүүллээ.

Зураг 4.7 v_DS-ийг ихэсгэхэд тодорхой утгаас суваг хаагдана.

4.6 i_D – v_DS-ийн хамаарал

4.6-р зурагт МОХ транзисторын i_D – v_DS хамаарлыг үзүүлсэн. Gate ба source-ийн хоорондох хүчдэл босго хүчдлээс их үед /v_GS>Vt/ суваг үүснэ. Мөн түүнчлэн энэ үед drain, source-ийн хооронд v_DS хүчдэл өгсөн гэж үзье. Эхлээд triode мужийг авч үзье. Энэ үед v_DS< v_GS-Vt байх ба  суваг 4.8-р зурагт үзүүлсэнтэй адилхан трапец хэлбэртэй байна.

МОХ транзисторын gate-ийн муж ба сувгийн муж нь хоорондоо диэлектрик болох оксидаар тусгаарлагдсан конденсатортай төсөөтэй хэлбэртэй байдаг. Хэрэв gate-ийн нэгж талбайн багтаамжийг C_ox, оксидын давхаргын зузааныг t_ox гэж үзвэл эдгээр нь хоорондоо дараах хамааралтай байна.

                                                                   (4.2)

Энд ε_ox нь цахиурын оксидын диэлектрик нэврүүлэх чадвар.

Оксидын зузааныг үйлдвэрлэлийн процессын үед тогтоож өгөх ба хэрэв t_ox=10нм бол C_ox=3.45*10-3F/m2=3.45fF/μm2 байна.

Зураг 4.8 n сувагтай МОХ транзисторын i_D – v_DS хамаарлын гаргалгаа

Одоо source-ээс х зайд байрлах dx хэмжээтэй жижиг хэсгийг авч үзье. Тэгвэл энэ хэсгийн багтаамж C_oxWdx болно. Энэ хэсэгт хуримтлагдах цэнэгийг олохын тулд үүнийг gate ба тухайн х цэгийн хоорондох эффектив хүчдлээр үржүүлж өгөх хэрэгтэй.

                                                (4.3)

Энд сөрөг тэмдэг нь энэ хэсэгт хуримтлагдах цэнэг нь сөрөг цэнэг буюу электрон байна гэдгийг харуулна.

v_DS хүчдлийн нөлөөгөөр сувагт үүсэх цахилгаан орон нь х-ийн эсрэг чиглэлд байна. Энэ орны х цэг дэх хүчлэгийг олбол:

Энэхүү цахилгаан орон улмаас dq цэнэгтэй электрон drain-ий зүг dx/dt хурдтайгаар хөдөлнө гэж үзвэл:

                                              (4.4)

Энд μ_n нь суваг доторх электроны хөдлөх чадвар. Энэхүү параметрийн утгыг транзисторын үйлдвэрлэлийн процессын үед тогтоож өгнө. Үүний үр дүнд сувгаар i гэсэн гүйдэл гүйнэ.

4.3 ба 4.4-р томьёог нэгтгэвэл:

Сувгаар гүйх i гүйдэл сувгийн аль ч хэсэгт тогтмол байх ба энэ нь source-ээс drain уруу чиглэсэн гүйдэл байна. Харин бид сувгаар гүйх эерэг цэнэгийн урсгалын дагуу авсан буюу drain-аас source уруу чиглэх drain-ий гүйдлийг i_d сонирхож байгаа тул:

Энд бага зэргийн хувиргалт хийвэл:

Үүний 2 талаас х=0 ба x=L, v(0)=0 ба v(L)= v_DS гэсэн хязгаараар интеграл авбал:

Drain-ий гүйдэл нь дараах хэлбэртэй байна.

                                      (4.5)

Энэ бол триод муж дахь drain-ий гүйдэл юм. Ханалтын муж нь үеэс эхлэх тул ханалтын муж дахь drain-ий гүйдэл нь:

                                            (4.6)

4.5 ба 4.6-р томьёонд орсон μ_nC_ox нь үйлдвэрлэлийн процессын үед тогтоож өгдөг тогтмол хэмжигдэхүүн юм. Үүнийг үйлдвэрлэлийн дамжууллын параметр гэх ба k’_n гэж тэмдэглэнэ.

                                                                 (4.7)

4.7-г 4.5 ба 4.6-д ашиглавал:

                                           (4.5a)

                                                  (4.6a)

4.7 р сувагтай МОХ транзистор

 р сувагтай сайжруулсан МОХ транзистор нь n төрлийн хагас давмжуулагч их бие дээр үндсэн дамжуулагч нь нүх болох р+ төрлийн хагас дамжуулагчийг ашиглан drain, source-ийн мужийг үүсгэх замаар хийсэн МОХ транзистор юм. Энэ транзистор нь өмнө үзсэн n сувагтай МОХ транзистортай ажиллах зарчмын хувьд адилхан ба зөвхөн v_DS v_GS Vt хүчдлүүд сөрөг утгатай байна. Мөн түүнчлэн i_D гүйдэл нь drain-ий төгсгөлөөс гарч source дээр ирнэ.

Ерөнхийдөө р сувагтай МОХ транзистор нь МОХ транзисторын үйлдвэрлэлд зонхилох байр суурийг эзэлдэг. Гэсэн хэдий боловч n сувагтай МОХ транзистор нь р сувагтай МОХ транзистораас бага хэмжээтэй, хурдан ажиллагаатай байдаг. Учир нь n сувагтай МОХ транзистор нь р сувагтай МОХ транзистортай харьцуулахад бага тэжээлийн хүчдэл ашигладаг. Гэсэн хэдий боловч n ба р сувагтай МОХ транзисторыг комплекс МОХ транзисторт ашигладаг бөгөөд одоо комплекс МОХ транзистор нь орчин үеийн электроникт голлох байр суурийг эзлэж байна.

4.8 Комплекс МОХ транзистор

Орчин үед комплекс МОХ транзисторыг интеграл хэлхээ /чип/-нд хамгийн өргөн ашиглаж байна. Энэ транзисторыг аналог ба тоон хэлхээний алинд нь ч өргөн ашиглах боломжтой. Комплекс МОХ транзисторын технологи нь өмнөх n сувагтай МОХ транзисторын технологийг халж гарч ирсэн, сүүлийн жилүүдэд хэрэглэгээ маш хурдан өсөж байгаа шинэ технологи юм.

Комплекс МОХ транзисторыг хэрхэн n ба р сувагтай МОХ транзисторуудыг ашиглан хийдэг болохыг 4.9-р зурагт үзүүлэв.

Зураг 4.9 Комплекс МОХ транзистор

4.9 Дэд босгын муж

n сувагтай транзисторын талаар үзэх явцад v_GS<Vt үед транзистораар гүйдэл огт гүйхгүй гэж үзсэн. Учир нь энэ үед суваг үүсэхгүй гэж үздэг. Гэсэн ч v_GS-ийн хүчдэл Vt-тэй маш ойрхон үед транзистораар бага хэмжээний гүйдэл гүйнэ. Энэ мужийг дэд босгын муж гэж нэрлэнэ. Дэд босгын мужид drain-ий гүйдэл v_GS-ийн хүчдлээс экспоненциал хуулиар хамаарч өөрчлөгдөнө.

Гэсэн хэдий боловч МОХ транзисторын үндсэн хэрэглээ бол v_GS>Vt үед хэрэглэгдэнэ. Сүүлийн жилүүдэд МОХ транзисторын дэд босгын мужийг ашиглах явдал ихсэж байгаа боловч энэ сэдвийн хүрээнд энэ асуудлыг хөндөхгүй.