Элементарная теория работы полевых транзисторов физической основой работы полевого транзистора со структурой металл-диэлектрик-полупроводник является эффект поля
Вид материала | Документы |
Содержание5.2.МОП ПТ с плавающим затвором. I(t) - величала инжекционного тока в момент времени t 5.4. Полевой транзистор с затвором в виде р |
- Лекция 4, 201.1kb.
- Методические указания к лабораторной работе по исследованию статических характеристик, 104.56kb.
- Полупроводниковые приборы, 355.8kb.
- Л. М. Чирок Математическая модель электрохимического датчика, 44.36kb.
- "Анализ и расчет статических параметров транзистора в схеме с общим затвором." по курсу, 229.13kb.
- Программа междисциплинарного экзамена для поступления в магистратуру по направлению, 51.62kb.
- Вприближении двухмерной модели атома водорода рассмотрены свойства мелких примесных, 25.62kb.
- Работа № ключевой режим работы транзистора, 358.55kb.
- Аннотация дисциплины, 786.67kb.
- 1. Какие требования предъявляются к транзисторам рэ в стабилизаторах с импульсивным, 463.58kb.
Рассмотрим RC -цепочку, состоящую из последовательно соединенных нагрузочного сопротивления


Рис.18. Схема, поясняющая работу МДП транзистора в качестве элемента запоминающего устройства.
Если МДП транзистор при таком соединении закрыт, сопротивление между областями истока и стока велико (сопротивление р-n перехода при обратном включении), всё напряжение питания падает на транзисторе и выходное напряжение Uвых близко к напряжению питания Uпит. Как видно из приведенного примера, на основе системы резистор-МДП транзистор легко реализуется элементарная логическая ячейка с двумя значениями: ноль и единица. Реализовать такую схему можно несколькими вариантами. В одном из них выбирается МДП транзистор со встроенным каналом и при напряжении на затворе равном нулю реализуется случай, соответствующий рис.18а. После подачи на затвор напряжения VG транзистор закрывается и реализуется условие, показанное на рис.18б. В другом варианте выбирается МДП транзистор с индуцированным каналом и при напряжение на затворе VG равном нулю транзистор закрыт и реализуется случай 18б). При подаче на затвор обедняющего напряжения транзистор открывается , и реализуется случай, соответствующий рис.18а).
Одним из недостатков приведенной элементарной ячейки информации является необходимость подведения на все время хранения информации напряжения к затворному электроду. При отключении напряжения питания записанная информация теряется. Этого недостатка можно было бы избежать, если в качестве МДП транзистора использовать такой транзистор, у которого регулируемым обрезом можно было бы менять пороговое напряжение VT. Тогда при положительном пороговом напряжении VT>0 ( n - канальный транзистор) МДП транзистор закрыт и реализуется случай 18б). При отрицательном пороговом напряжении VT<0 МДП - транзистор закрыт и реализуется случай 18а).
5.1. МНОП транзистор
Величина порогового напряжения VT определяется уравнением (4.28). Как видно из этого уравнения, для изменения величины порогового напряжения VT необходимо:
а) изменить легирование подложки NA (для изменения объёмного положения уровня Ферми


б) изменить плотность поверхностных состояний

Наиболее распространенными РПЗУ, в которых реализован этот принцип, являются РПЗУ на основе полевых транзисторов со структурой металл-нитрид-окисел-полупроводник (МНОП транзисторы) и на основе полевых транзисторов с плавающим затвором.

Рис.19. Топология полупроводниковых запоминающих устройств;
а) МНОП транзистор, б) МОП ПТ с плавающим затвором
На рис.19 а) и б) приведена схема, показывающая основные конструктивные элементы МНОП ПТ и МОП ПТ с плавающим затвором.
МНОП ПТ в качестве подзатворного диэлектрика используется двухслойное покрытие. В качестве первого диэлектрика используется туннельно прозрачный слой ( dox < 50А) двуокиси кремния. В качестве второго диэлектрика используется толстый (d


Оценим величину инжектированного заряда, необходимую для переключения МНОП транзистора. Пусть величина




Рис.20. Зонная диаграмма МНОП транзистора. а) Напряжение на затворе равно нулю, ловушки не заполнены, б) запись информационного заряда, в) стирание информационного заряда.

Подставив численно значения в (5.1),получаем

5.2.МОП ПТ с плавающим затвором.
Полевой транзистор с плавающим затвором по принципу работы похож на МНОП транзистор. Только в транзисторах с плавающим затвором инжектированный заряд хранится на плавающем затворе, находящемся между первым и вторым подзатворными диэлектрическими слоями. Схема, поясняющая устройство МОП ПТ с плавающим затвором, приведена на рис,18. б).

Рис.21. Зонная диаграмма МОП ПТ с плавающим затвором:
а) напряженная на затворе VGS равно нулю, плавающий затвор не заряжен,
б) процесс записи информационного заряда импульсом напряжения + VGS ,
в) МОП ПТ при нулевом напряжении на затворе в режиме хранения информационного заряда.
В качестве материала для плавающего затвора используется поликристаллический кремний, легированный фосфором.
На рис.21 a) приведена зонная диаграмма такого транзистора. Рис.21 б) поясняет механизм записи информационного заряда путем туннельной инжекции из полупроводника на плавающий затвор. На рис.21 в) приведена зонная диаграмма МОП ПТ с плавающим затвором после записи заряда и снятия напряжения с затвора. Возможно частичное растекание наполненного информационного заряда из-за туннелирования электронов с плавающего затвора обратно в полупроводник.
Рассмотрим основные соотношения, определяющие характер накопления инжектированного заряда на плавающем затворе полевого транзистора. Величина заряда Qox(


где I(t) - величала инжекционного тока в момент времени t .
Как видно из зонной диаграммы на рис.21, инжекция носителей из полупроводника через первый слой окисла на плавающий затвор осуществляется путем прямого туннелирования через трапецеидальный барьер. Величина туннельного тока I(t) описывается соотношением

Уравнение (5.3) напоминает выражение для туннельного тока Фаулера-Нордгейма из твердого тела в вакуум через треугольный барьер. Постоянные величины А и В, входящие в (5.3), зависят от типа полупроводника и высоты потенциальных барьеров на границе.
Накапливаемый на плавящем затворе инжектированный заряд Q(


Первое слагаемое в соотношении (5.4) дает значение электрического поля Еох за счет приложенного напряжения к затвору VG, второе слагаемое - за счет накопления инжекционного заряда. В том случае, если в качестве второго диэлектрика в МОП ПТ с плавающим затвором используется двуокись кремния, в (5.4) величины диэлектрических постоянных необходимо выбрать одинаковыми.
Из уравнений (5.2-5.4) следует, что при малых временах





5.3. Приборы с зарядовой связью
Новым типом полевых полупроводниковых приборов, работающих в динамическом режиме, являются приборы с зарядовой связью (ПЗС). На рис.22 приведена схема, поясняющая устройство и основные физические принципы работы ПЗС. Приборы с зарядовой связью представляют собой линейку или матрицу последовательно расположенных МДП структур. Величина зазора между соседними МДП структурами невелика и составляет (1÷2) мкм. ПЗС - элементы служат для преобразования оптического излучения в электрические сигналы и передачи информации от одного элемента электронной схемы к другому.

Рис.22. Устройство и принцип работы приборов с зарядовой связью.
Рассмотрим принцип работа ПЗС. При подаче обедняющего импульса напряжения VG1 на затвор I- го элемента в ОПЗ полупроводника образуется неравновесный слой обеднения. Для электронов в полу проводнике р-типа это соответствует формированию под затвором I- го элемента потенциальной ямы. Известно, что неравновесное состояние сохраняется в период временя t порядка времени генерационно-рекомбинационных процессов






5.4. Полевой транзистор с затвором в виде р - n перехода
Рассмотрим характеристики полевого транзистора, затвор у которого выполнен в виде р-n перехода. На рис.23 показана одна из возможных топологий такого транзистора. Омические контакты к левой и правой граням полупроводниковой подложки будут являться истоком и стоком, область квазинейтрального объема заключенная между обедненными областями р-n переходов-каналом, а сильно легированные n+ области сверху и снизу - затвором полевого транзистора. Конструктивно ПТ с затвором в виде р-n перехода может быть выполнен с использованием планарной технологии и в различных других вариантах.
При приложении напряжения VGS к затвору ПТ, обеспечивающего обратное смещение р-n перехода (VGS >0 ), происходит расширение обедненной области р - n перехода в полупроводниковую подложку, поскольку затвор легирован существенно сильнее, чем подложка (ND>>NA). При этом уменьшается поперечное сечение канала, а следовательно, увеличивается его сопротивление. Приложенное напряжение исток - сток VDS вызовет ток в цепи канала полевого транзистора. Знак напряжения VDS необходимо выбирать таким образом, чтобы оно также вызывало обратное смещение затворного р-n перехода, то есть было бы противоположно по знаку напряжению VGS. Таким образом, полевой транзистор с затвором в виде р-n перехода представляет сопротивление, величина которого регулируется внешним напряжением.

Рис. 23. Схематическое изображение полевого транзистора с затвором в виде р-n перехода.
Получим вольтамперную характеристику транзистора. Здесь, как и ранее, ось у направим вдоль канала, ось х - по ширине канала, ось z - по глубине канала. Обозначим L, W, Н длину, ширину и высоту канала при отсутствии напряжения на транзисторе(VGS = VDS=0).
При приложении напряжения к затвору VGS >0 и стоку VDS<0 произойдёт расширение обеднённой области р-n перехода на величину


Поскольку напряжение исток-сток VDS распределено вдоль канала VDS(у), то изменение ширины канала транзистора будет различно по длине канала. При этом высота канала h(y) будет

Введем напряжение смыкания VG0 напряжение на затворе, когда в квазиравновесных условиям (VDS=0 ) обедненные области р-n переходов смыкаются h(y) =0.
Тогда из (5.4 ) следует, что

Соотношение (5.4) с учетом (5.5) можно переписать в виде

Выделим на длине капала участок от у до у+dy , сопротивление которого будет dR(y). При токе канала IDS на элементе dy будет падение напряжения dVDS (y), равное

Величина сопротивления dR(y) будет

Подставим (5.8) в (5.7) и проведем интегрирование по длине канала

Поскольку удельное объемное сопротивление




Здесь

Подставляя (5.10) в (5.9) я проведя интегрирование, получаем следующую зависимость тока стока IDS от напряжения на затворе VG и стоке VDS для полевого транзистора с затвором в виде р-n перехода.

При малых значениях напряжения исток-сток в области плавного канала VDS<

Если сравнить соотношение (5.12) с выражением (3.10) для тока стока МДП полевого транзистора в области плавного канала, то видно, что эти выражения совпадают при малых значениях напряжения VDS.
Из (5.6) следует, что при напряжениях VG < VG0 всегда можно найти такое напряжение на стоке VDS , когда вблизи стока произойдет смыкание канала h(y=L,VG, VDS) =0.
Аналогично процессам в МДП ПТ это явление называется отсечкой. Из (5.6) следует, что напряжение отсечки


Также заметим, что выражение (5.13) аналогично соотношению (3.11) для напряжения отсечки МОП ПТ, а напряжение смыкания VG0 имеет аналогом величину порогового напряжения VТ.
По мере роста напряжения исток-сток VDS точка отсечки перемещается от истока стоку. При этом аналогично МДП ПТ наблюдается независимость тока стока от напряжения на стоке и эффект модуляции длины канала. Подставляя (5.13) в (5.11) получаем зависимость тока стока IDS в области отсёчки для полевого транзистора с затвором в виде р-n перехода

В области отсечки выражение (5.14) хорошо аппроксимируется квадратичной зависимостью вида

На рис.24 показаны вольтамперные характеристики в ПТ с затвором в виде р-n перехода. Отличительной особенностью их является тот факт, что при напряжении на затворе VG = 0 канал транзистора открыт и величина тока через него максимальна.
Быстродействие ПТ с затвором в виде р-n переходов обусловлено зарядкой барьерных емкостей СG затворных р-n переходов через сопротивление канала RK. Величина времени заряда





Выражение (5.17) имеет минимальное значение при ширине обеднённой области


При значениях H=L для кремния (




Рис.24. а) Выходные характеристики транзистора КП 302Б; б) Начальные участки выходных характеристик транзистора КП 302Б.
0>0>