Полная версия

Главная arrow Техника arrow Анализ принципа работы и расчет субмикронных МОП-транзисторов

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

Обзор литературы

Теоретические сведения о полевых транзисторах

Идея полевого транзистора (ПТ) основана на возможности управлять электрическим током посредством изменения размеров и потенциала токопроводящего канала с помощью ортогонального каналу электрического поля. Именно поэтому такие транзисторы называются полевыми.

В самом общем виде структуру обобщённого ПТ можно представить в виде плоского конденсатора, между обкладками которого в диэлектрике помещён полупроводник, являющийся токопроводящим каналом (рис. 1.1). На металлические обкладки подаётся напряжение , которое формирует управляющее электрическое поле, ортогональное каналу. Обкладки играют роль затвора, управляющего проводимостью канала. Канал изолирован от затвора, чтобы минимизировать или предотвратить утечку тока в затвор. Электрод начального участка канала называется истоком. Электрод конечного участка канала называется стоком. Под действием приложенного напряжения сток-исток от истока к стоку переносятся основные носители заряда (ОНЗ), формирующие дрейфовый ток канала.

Обобщённая структура полевого транзистора

Рис. 1.1. Обобщённая структура полевого транзистора

Существуют три типа ПТ, которые различаются физической структурой, реализацией канала, изоляции и затвора, а также способом управления проводимостью канала. Это ПТ - с управляющим p-n-переходом, с управляющим переходом металл-полупроводник и с изолированным затвором.

У ПТ с управляющим p-n-переходом роль затвора выполняет несимметричный p-n-переход, менее легированная область которого является токопроводящим каналом, а изолятором служит обеднённая область пространственного заряда (ОПЗ) (рис. 1.2). Обратное смещение p-n-перехода, являющееся напряжением затвора, расширяет ОПЗ в сторону канала и тем самым изменяет размер поперечного сечения токопроводящей части и ток канала.

Структура полевого транзистора с управляющим р-п-переходом

Рис. 1.2. Структура полевого транзистора с управляющим р-п-переходом

У ПТ с управляющим переходом металл-полупроводник затвором служит выпрямляющий контакт металл-полупроводник. Токопроводящим каналом является полупроводник. Изолятором служит ОПЗ (рис. 1.3). Обратное смещение контакта металл-полупроводник, являющееся напряжением затвора, расширяет ОПЗ в сторону полупроводника и тем самым изменяет размер поперечного сечения токопроводящей части и ток канала.

Структура полевого транзистора с управляющим переходом металл-полупроводник

Рис. 1.3. Структура полевого транзистора с управляющим переходом металл-полупроводник

У ПТ с изолированным затвором служит МДП-конденсатор, имеющий структуру металл- диэлектрик-полупроводник. Каналом является поверхностный слой полупроводника. Канал изолирован от электрода затвора тонким слоем диэлектрика. Поэтому такие транзисторы называют МДП-транзисторами либо МОП-транзисторами, если диэлектриком является окисел полупроводника. Электрическое поле затвора, проникая в полупроводник, управляет проводимостью полупроводникового канала.

МДП-транзисторы, у которых области истока и стока разделены подзатворным слоем слаболегированного полупроводника противоположного типа проводимости, относятся к группе ПТ с индуцированным каналом (рис. 1.4).

Структура МОП-транзистора с индуцированным n-каналом

Рис. 1.4. Структура МОП-транзистора с индуцированным n-каналом

С помощью электрического поля сначала необходимо изменить (инвертировать) тип проводимости подзатворного слоя и индуцировать канал. МДП-транзисторы, у которых между истоком и стоком уже имеется канал, относятся к группе ПТ со встроенным каналом (рис. 1.5).

Структура МОП-транзистора со встроенным n-каналом

Рис. 1.5. Структура МОП-транзистора со встроенным n-каналом

Каждый из перечисленных типов ПТ может иметь канал n- или р-типa проводимости.

Пороговое напряжение.

Если в МОП-транзисторе с индуцированным каналом между стоком и истоком приложено положительное напряжение, в индуцированном канале возникает ток стока. Его величина зависит как от напряжения , так и от напряжения сток-исток . Напряжение затвора, при котором появляется заметный ток стока, называют пороговым и обозначают . Пороговое напряжение МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа положительно. Его величина составляет для современных мощных МОП-транзисторов 2 - 4 В.

Чем больше напряжение затвор-исток превышает пороговое, тем большее количество электронов втягивается в канал, увеличивая его проводимость. Если при этом напряжение сток-исток невелико, проводимость канала пропорциональна разности . Если напряжение сток-исток превышает напряжение насыщения , транзистор переходит в режим насыщения и рост тока прекращается. Объясняется это тем, что напряжение между затвором и поверхностью канала уменьшается в направлении стока. Вблизи истока оно равно , а в окрестности стока - разности . Поэтому при увеличении напряжения сечение канала уменьшается по направлению к стоку, а его сопротивление увеличивается. При значениях , превышающих напряжение насыщения, канал перекрывается и ток стока остается практически неизменным. Очевидно, что каждому значению соответствует свое значение напряжения насыщения.

Семейство выходных характеристик транзистора с индуцированным каналом показано на рис. 1.6. На выходных характеристиках можно выделить линейную (триодную) область, области насыщения и отсечки. Граница между линейной областью и областью насыщения показана на рис. 1.6 пунктиром.

В режиме отсечки , . Область отсечки расположена ниже ветви выходной характеристики, соответствующей напряжению .

Рис. 1.6

В линейном (триодном) режиме , а напряжение сток-исток не превышает напряжение насыщения:

Выходная характеристика на участке, соответствующем линейному режиму, аппроксимируется выражением:

Здесь b - удельная крутизна МОП-транзистора:

В (1.2) µ - приповерхностная подвижность носителей, - удельная емкость затвор-канал, L - длина, W - ширина канала. Если напряжение сток-исток мало, как часто бывает в импульсных и ключевых схемах, квадратичным слагаемым в (1.1) можно пренебречь. В этом случае мы получаем линейную зависимость:

Величину называют проводимостью канала, а обратную величину - сопротивлением канала:

Таким образом, при малых напряжениях сток-исток МОП-транзистор эквивалентен линейному резистору, сопротивление которого регулируется напряжением затвора. Сопротивление эквивалентного резистора может изменяться от десятков Ом до десятков МОм. Если , сопротивление канала практически бесконечно. С увеличением сопротивление уменьшается.

Режим насыщения МОП-транзистора с индуцированным каналом возникает, когда , а напряжение сток-исток превышает напряжение насыщения:

В области насыщения ветви выходной характеристики расположены почти горизонтально, т. е. ток стока практически не зависит от напряжения . Таким образом, в режиме насыщения канал МОП-транзистора имеет высокое сопротивление, а транзистор эквивалентен источнику тока, управляемому напряжением затвор-исток.

Область насыщения является рабочей, если транзистор используется для усиления сигналов. Области отсечки и линейная используются, когда транзистор работает в режиме ключа.

Передаточная характеристика МОП-транзистора с индуцированным каналом показана на рис. 1.7. При нулевом напряжении на затворе ток стока равен нулю. Заметный ток появляется тогда, когда напряжение затвора превысит пороговое значение

Рис. 1.7

Передаточная характеристика МОП-транзистора для области насыщения аппроксимируется выражением:

Удельная крутизна характеристики МОП-транзистора определяется выражением (1.2).

В МОП-транзисторе со встроенным каналом при подаче отрицательного напряжения на затвор металлический электрод затвора заряжается отрицательно. У прилегающей к диэлектрику поверхности канала образуется обедненный слой. Ширина обедненного слоя зависит от напряжения . Такой режим работы МОП-транзистора, когда концентрация носителей в канале меньше равновесной, называют режимом обеднения. При некоторой величине отрицательного напряжения канал полностью перекрывается обедненным слоем и ток прекращается. Это напряжение называют напряжением отсечки МОП-транзистора с встроенным каналом и обозначают .

Ток МОП-транзистора с встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеет ненулевое значение, называемое начальным . Если , число электронов в канале увеличивается. Это приводит к увеличению проводимости канала. Такой режим работы транзистора с встроенным каналом, при котором концентрация носителей в канале больше равновесной, называют режимом обогащения.

Таким образом, МОП-транзистор с встроенным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения, при положительном напряжении . Выходные характеристики МОП-транзистора с встроенным каналом n-типа показаны на рис. 1.8.

Рис. 1.8

Передаточная характеристика МОП-транзистора с встроенным каналом показана на рис. 1.9.

Рис. 1.9

Начальное значение тока стока МОП-транзистора с встроенным каналом определяется выражением:

Здесь µ - приповерхностная подвижность носителей, - удельная емкость канала затвора. Длина канала L равна расстоянию между областями стока и истока, а ширина W - протяженности этих областей.

Ток, который вносит вклад в ток стока, но не может управляться напряжением затвор-исток, обычно определяется как ток утечки. Токи утечки могут приводить к неисправности аналоговых и цифровых схем, поскольку они преобладают в канальных токах в КНИ МОПТ при высоких температурах. Различные механизмы внутри устройств вносят вклад в уровень тока утечки КНИ МОПТ.

 
Перейти к загрузке файла
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>