Элементарная теория работы полевых транзисторов физической основой работы полевого транзистора со структурой металл-диэлектрик-полупроводник является эффект поля

Вид материала

Документы

Содержание L' от истока до точки отсечки слабо отличается от истинной длины канала L L’ канала. Это вызовет увеличение тока I 3.4. Малосигнальные параметры. 3.6. Методы определения параметров МОП ПТ из характеристик. 5.2.МОП ПТ с плавающим затвором. I(t) - величала инжекционного тока в момент време­ни t 5.4. Полевой транзистор с затвором в виде р 6.1. Микроминиатюризация МДП приборов. 6.2.Физические явления, ограничивающие микроминиатюризацию.

Подобный материал:

• 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.

Глава 3. ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ТЕОРИЯ РАБОТЫ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ


Физической основой работы полевого транзистора со структурой металл-диэлектрик-полупроводник является эффект поля. Напомним, что эффект поля состоит в том, что под дей­ствием внешнего электрического поля изменяется концентра­ция свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника. В полевых приборах со структурой МДП внеш­нее поле обусловлено приложенным напряжением на металлический электрод-затвор. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения присутствуют четыре состояния области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника - обогащение, обеднение, слабая и сильная инверсия. Полевые транзисторы в активном режиме могут работать только в области слабой или сильной инверсии, т.е. в том случае, когда инверсионный канал между истоком и сроком отделен от объема подлож­ки слоем обеднения. На рис.1 была приведена топология МДП транзистора, где этот факт наглядно виден.


В области инверсии концентрация неосновных носителей заряда в канале выше, чем концентрация основных носителей в объеме полупроводника. Изменяя величину напряжения на затворе, можно менять концентрацию свободных носителей в инверсионном канале и тем самым модулировать сопротивление канала. Источник напряжения в стоковой цепи вызовет изме­няющийся в соответствии с изменением сопротивления канала ток стока и тем самым будет реализован эффект усиления. Таким образом, МДП транзистор является сопротивлением, регулируемым внешним напряжением. К нему даже в большей сте­пени, чем к биполярным приборам, подходит историческое название "транзистор" так как слово „transistor" образовано от двух английских слов - „transfer" и „resistor", что пе­реводится как "преобразующий сопротивление".





Рис.1. Полевой транзистор со структурой металл-диэлектрик полупроводник.


3.1. Характеристики МОП ПТ в области плавного канала

Рассмотрим полевой транзистор со структурой МДП, схе­ма которого приведена на рис.4. Координата z направле­на вглубь полупроводника, y- вдоль по длине канала и х - по ширине канала получим вольтамперную характеристику (ВАХ) такого транзистора при следующих предположениях:

1) Токи через р-n переходы истока и стока и подзатворный диэлектрик равны нулю.

2) Подвижность электронов постоянна по глубине и длине инверсионного канала и не зависит от напряжения на затворе V_GS и на стоке V_DS.

3) Канал плавный, то есть в области канала нормальная составляющая электрического поля Е_z существенно больше тангенциальной Е_y.




Рис.4. Схема МДП транзистора

Ток в канале МДП транзистора, изготовленного на подложке р-типа, обусловлен свободными электронами, концент­рация которых n(z). Электрическое поле Е_у обусловлено напряжением между истоком и стоком V_DS . Согласно

(3.1)

где - заряд электрона, - подвижность электронов в канале, V - падение напряжения от истока до точки кана­ла с координатами ( x, y , z ).

Проинтегрируем (3.1) по ширине ( x ) и глубине ( z ) ка­нала. Тогда интеграл в левой части (3.1) дает нам полный ток канала I_DS , а для правой части получим

(3.2)


Величина есть полный заряд электронов в канале

на единицу площади . Тогда

(3.3)

Найдем величину заряда электронов Q_n . Для этого запишем уравнение электронейтральности для зарядов в МДП тран­зисторе на единицу площади в виде

(3.4)

Согласно (3.4) заряд на металлическом электроде Q_m уравновешивается суммой зарядов свободных электронов Q_n и ионизованных акцепторов Q_B в полупроводнике и встроенного заряда в окисле Q_OX.На рис.5 приведена схема расположения этих зарядов. Из определения геометрической емкости окисла С_OX следует, что полный заряд на металлической обкладке МДП-конденсатора Q_m.

Q_m = C_OX ·V_OX (3.5)


V_OX - падение напряжения на окисном слое, С_OX - удельная емкость подзатворного диэлектрика.



Рис.5. Расположение зарядов в МДП транзисторе.


Поскольку падение напряжения в окисле равно V_OX в полупроводнике равно поверхностному потенциалу , а полное приложенное напряжение к затвору V_GS , то

(3.6)

где - разность работ выхода металл-полупроводник, - величина поверхностного потенциала в рав­новесных условиях, т.е. при напряжении стока V_DS = 0.

Из (3.4) я (3.5) и (3.6) следует

Q_n = Q_m - Q_ox - Q_в = C_ox - Q_ox + Q_в (3.7)

Поскольку в области сильной инверсии при значительном из­менении напряжения на затворе V_GS величина поверхност­ного потенциала меняется слабо, будем в дальнейшем считать ее постоянной и равной потенциалу начала области сильной инверсии . Поэтому будем также считать, что заряд акцепторов Q_в не зависит от поверхностного потен­циала. Введем пороговое напряжение V_Т как напряжение на затворе V_GS , соответствующее открытию канала в рав­новесных условиях .

При этом



Из (3.7) следует, что

(3.8)

Тогда с учётом (3.8)

(3.9)

Подставляя (3.9) в (3.3), разделяя переменные и проведя интегрирование вдоль канала при изменении от 0 до L , а от 0 до , получаем

(3.10)

Уравнение (3.10) описывает вольтамперную характеристику полевого транзистора в области плавного канала.

Как следует из уравнения (3.9), по мере роста напряжения исток-сток V_DS в канале может наступить такой момент, когда произойдет смыкание канала, т.е. заряд электронов в канале в некоторой точке станет равным нулю. Это соответствует условию

(3.11)

Поскольку максимальная величина напряжения V (y) реали­зуется на стоке, то смыкание канала или отсечки произойдет у стока. Напряжение стока V_DS , необходимое для смыкания канала, называется напряжением отсечки. Величина напряжения отсечки определяется соотношением (3.11). На рис.6 показаны оба состояния - состояние плавного и отсеченного канала. С ростом напряжения стока V_DS точка канала, соответствующая условию отсечки (3.11), сдвигается от стока к истоку. В первом приближении при этом на участ­ке плавного канала от истока до точки отсечки падает оди­наковое напряжение , не зависящее от напря­жения исток-сток. Эффективная длина плавного канала L' от истока до точки отсечки слабо отличается от истинной длины канала L и обычно . Это обуславливает в области отсечки в первом приближении ток стока I_DS не зависящий от напряжения стока V_DS. Подставив напряже­ние отсечки из (3.11) в (3.10) вместо напряжения сто­ка V_DS, получаем для области отсечки выражение для тока стока

(3.12)


Соотношение (3.12) представляет из себя запись вольтамперной характеристики МДП транзистора в области отсечки. На рис.7,8 приведены характеристики в области плавного кана­ла и в области отсечки. Зависимости тока стока I_DS от напряжения на затворе V_GS называются обычно переходными характеристиками, а зависимости тока стока I_DS от напряжения на стоке V_DS - проходными характеристиками транзистора.





Рис.7. Зависимость тока стога I_DS от напряжения на стоке V_DS для МОП ПТ при различных напряжениях на затворе. Пороговое напряжение V_T =0,1 В, Сплошная линия - расчет по (3.10) и (3.12), точки - экспериментальные результаты.




Рис.8. Зависимость тока стока I_DS от напряжения на затворе V_GS в области плавного канала при V_DS = 0.1B - кривая 1; зависимость корня из тока стока от напряжения на затворе в области отсечки - кривая 2.

При значительных величинах напряжения исток-сток и относительно коротких каналах ( L = 10÷20 мкм) в облас­ти отсечки наблюдается эффект модуляции длины канала. При этом точка отсечки смещается к истоку, и напряжение отсечки падает на меньшую длину L’ канала. Это вызовет увеличение тока I_DS канала. Величина на­пряжения , падащая на участке от стока отсеч­ки, будет

(3.13)


Поскольку напряжение падает на обратно-смещённом p-n⁺ переходе, его ширина будет

(3.14)


Ток канала равен , когда напряжение исток-сток равно напряжению отсечки и величина =0. Обозначим I_DS ток стока при большем напряже­нии стока

Тогда

(3.15)


Следовательно, ВAX МДП-транзистора с учетом модуляция длины канала примет следующий вид

(3.16)

Эффект модуляции длины канала оказывает большое влияние, как будет видно из главы 5, на проходные характеристики МДП-транзистора с предельно малыми геометрическими раз мерами.


3.3. Эффект смещения подложки.

Рассмотрим, как меняются характеристики МДП-транзистора при приложении напряжения между истоком и подложкой. Отметим, что приложенное напряжение между истоком и под­ложкой при условия наличия инверсионного канала падает на обедненную область индуцированного р-n перехода.

В этом случае при прямом его смещении будут наблюдаться значительные токи соответствующие прямым токам р-n пере хода. Эти тока попадут в стоковую цепь и транзистор работать не будет. Поэтому используется только напряжение подложки, соответствующее обратному смещению индуцирован­ного и истокового р-n перехода. По полярности это будет - напряжение подложки противоположного знака по сравнению напряжением стока. При приложении напряжения канал-подложка происходит расширение ОПЗ и увеличение заряда иони­зованных акцепторов

(3.17)


Поскольку напряжение на затворе V_GS постоянно, то по­стоянен и заряд на затворе МДП транзистора Q_m . Следовательно, из уравнения электронейтральности вытекает, что если заряд акцепторов в слое обеднения Q_B вырос, заряд электронов в канале Q_n должен уменьшиться. С этой точки зрения подложка выступает как второй затвор МДП-транзистора, поскольку регулирует также сопротивление ин­версионного канала между истоком и стоком.

При возрастании заряда акцепторов в слое обеднения возрастет и пороговое напряжение, транзистора V_Т, как видно из (3.3). Изменение порогового напряжения будет


(3.18)





Рис.9. Влияние напряжения смещения канал-подложка V_SS на проходные характеристики транзистора в области плавного канала V_DS = 0,1 В.






Рис.10. Переходные характеристики МДП транзистора при нулевом напряжении смещения канал-подложка (сплошные линий) и при напряжении V_SS =-10В (пунктирные линии).


Поскольку смещение подложки приводит только к изменению порогового напряжения V_Т, то переходные характеристики МДП-транзистора при различных напряжениях подложки V_SS смещаются параллельно друг другу. На рис.9,10 показан эффект влияния смещения подложки на проходные и переход­ные характеристики.


3.4. Малосигнальные параметры.

Для МДП-транзистора характерны следующие малосигнальные параметры - крутизна характеристики S , внутреннее сопротивление R_i, коэффициент усиления . Крутиз­на переходной характеристики S определяется как


| (3.19)

и характеризуется изменением тока стока при единичном увеличении напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке.

Внутреннее сопротивление R_i определяется

| (3.20)

и характеризует изменением напряжения в выходной цепи, необходимое для единичного увеличения тока стока при неизменном напряжении на затворе.

Коэффициент усиления определяется

| (3.21)


и характеризуется изменением напряжения в выходной цепи при единичном изменении напряжения во входной и неизменном токе стока. Очевидно, что

в области плавного канала крутизна S и дифференциаль­ное сопротивление R_i будут иметь значения

; (3.22)


При этом коэффициент усиления , равный их произведению всегда меньше единицы



Таким образом, необходимо отметить, что МДП полевой транзистор как усилитель не может быть использован в области плавного канала.

Сравним дифференциальное сопротивление R_i и омическое сопротивление R₀ ,равное R_i=V_DS / I_DS в области плавного ка­нала. Величина R₀ равна



Отметим, что дифференциальное сопротивление транзистора в этой области R_i совпадает с сопротивлением R₀ канала МДП транзистора по постоянному току. Поэтому МДП транзистор в об­ласти плавного канала можно использовать как линейный резис­тор с сопротивлением R₀. При этом величина сопротивления невелика, составляет сотни Ом и легко регулируется напряжени­ем..

Рассмотрим напряжения для малосигнальных параметров в об­ласти отсечки. Из (3.12) и (3.19) следует, что крутизна МДП транзистора

(3.23)

Из (3.23) следует, что крутизна характеристики определяется выбором рабочей точки и конструктивно - технологическими параметрами транзистора.

Величина в получила название удельной крутизны и не зависит от выбора рабочей точки. Для увеличения крутизны характеристики необходимо: уменьшать длину канала L и увеличивать его ширину W; уменьшать толщину подзатворного диэлектрика d_ox или использовать диэ­лектрики с высоким значением диэлектрической проницаемости ; использовать для подложки полупроводники с высокой подвижностью свободных носителей заряда; увеличивать напряжение на затворе V_DS транзистора.

Динамическое сопротивление R_i в области отсечки, как следует из (3.20) и (3.12) стремится к бесконечности