Основы теории МДП транзисторов

Принцип действия МДП транзистора основан на изменении типа про-водимости и концентрации носителей в приповерхностном слое полупро-водника под действием внешнего управляющего электрического поля. МДП транзистор состоит из подложки, двух сильнолегированных областей с противоположным, относительно подложки, типом проводимости (сток и исток), и затвора из сильнолегированного поликремния или металла, отде-ленного от подложки слоем тонкого ~(100÷ 500) нм подзатворного диэлект-рика (рис. 1).

a) б)

в) г)

Рис. 1. Структура МДП транзисторов:

а) n-канальный нормально закрытый; б) p-канальный нормально закрытый;

в) n-канальный нормально открытый; г) р-канальный нормально открытый.

 

Показанный на рисунке 1, а прибор работает следующим образом. В нормальном состоянии, когда напряжение на затворе U_зи= 0, сопротив-ление сток-исток очень велико, поскольку в структуре находятся два встречно включенных p-n перехода. При подаче на затвор положительного относительно подложки напряжения дырки из приповерхностного подзатворного слоя кремния отталкиваются вглубь подложки электри-ческим полем, а электроны из подложки, наоборот, притягиваются. В ре-зультате под затвором образуется обедненная основными носителями область. По мере увеличения приложенного к затвору напряжения степень обеднения усиливается, но, в то же время, увеличивается обогащение неосновными носителями. При достижении порогового напряжения на затворе U_пор, когда концентрации электронов и дырок в поверхностном слое сравняются, происходит инверсия типа проводимости приповерхностного слоя полупроводника. В результате образуется канал, соединяющий области стока и истока. В данном примере образуется канал n типа. Таким образом, при напряжении на затворе выше порогового сток и исток соединены каналом. Его проводимость управляется затворным напряжением, при изменении которого варьируется концентрация носителей в канале. В данном примере рассмотрен n-канальный транзистор, закрытый в нормальном состоянии, т. е. n-МОП транзистор обогащенного типа. Существуют р-МОП транзисторы обогащенного типа, а также р- и n-канальные транзисторы со встроенным каналом – это нормально открытые транзисторы, или транзисторы обедненного типа. Встроенный канал формируется обычно при помощи ионного леги-рования. Структура транзисторов этих типов показана на рисунке 1, б-г.

Рассмотрим n-канальный нормально закрытый транзистор с длиной канала l_к> > 1мкм, т. е. длинноканальный транзистор, исток которого соединен с подложкой и заземлен (рис. 1, а).

При напряжении на затворе больше порогового и нулевом напря-жении сток-исток U_си=0 канал имеет одинаковую толщину по всей длине (рис. 2, а).

Если на сток подать положительное напряжение, то в цепи сток-исток потечет ток I_си, величина которого регулируется затворным напряжением. Так как дополнительно к вертикальному электрическому полю, возникаю-щему при подаче на затвор напряжения относительно подложки, в канале появляется горизонтальное электрическое поле из-за разности потенциалов между стоком и истоком, толщина канала уменьшается по направлению к стоку (рис. 2, б). При некотором U_си, называемым напряжением отсечки U_отс, толщина канала у стока станет равной нулю, а при дальнейшем уве-личении напряжения U_си канал будет все больше укорачиваться (рис. 2, в). Ток I_си при этом увеличиваться практически не будет. Область рабочих параметров прибора, в которой канал существует от истока до стока, называется линейной областью, а область, в которой канал перекрыт, называется областью насыщения.

а) б) в)

Рис. 2. Нормально закрытый n-канальный транзистор при:

а) U_зи > U_пор и U_си = 0; б) U_зи > U_пор и U_си > 0; в) U_зи > U_пор и U_си > U_насыщ.

 

Аналитические выражения для вольт-амперных характеристик МДП транзисторов на примере n-канального нормально закрытого транзистора имеют вид:

в линейной области ;

в области насыщения ,

где I_си – ток стока; b_k – ширина канала; l_к – длина канала; μ _n – подвижность электронов в канале; С_ох – емкость МДП структуры; U_си – напряжение на стоке относительно истока; U_зи – напряжение на затворе относительно истока; U_пор – пороговое напряжение транзистора.

Если при фиксированном напряжении сток-исток снимать зависи-мость тока стока от напряжения на затворе, то мы получим передаточную характеристику транзистора. Типичный вид передаточных характеристик приведен на рисунке 3, а. По передаточной характеристике можно опреде-лить пороговое напряжение и крутизну характеристики транзистора.

Пороговое напряжение определяется как точка пересечения касатель-ной к наиболее линейному участку характеристики (т. е. проведенной через точку перегиба) с осью напряжения на затворе.

Крутизна S определяется как тангенс угла наклона этой касательной:

а) б)

Рис. 3. ВАХ нормально закрытого n-канального транзистора:

а) передаточные характеристики при различных напряжениях сток-исток U_си1 > U_си2 > U_си3;

б) выходные стоковые характеристики при различных напряжениях на затворе U_зи1 > U_зи2 > U_зи3 > U_пор.

 

Выражение для крутизны можно записать в виде .

Так как крутизна зависит от напряжения сток-исток, то пороговое напряжение, определенное таким способом, также зависит от напряжения сток-исток. Для того чтобы избавиться от зависимости порогового напря-жения от U_си, целесообразно пороговое напряжение определять как напряжение, при котором ток стока достигает какого-либо определенного значения, например, 0.1 мкА.

Выходные вольт-амперные характеристики снимаются при фикси-рованном напряжении на затворе и представляют собой зависимость тока стока от напряжения сток-исток. Типичные выходные характеристики нор-мально закрытого n-канального транзистора представлены на рисунке 3, б. Перекрытие канала происходит при U_си= U_зи – U_пор. Это парабола на рисунке 3, б, отделяющая линейную область режимов от области насыще-ния. Напряжение питания транзистора U_пит обычно выбирается в области насыщения из-за более высокого значения крутизны S.

По выходным ВАХ транзистора можно определить его сопротивление сток-исток R_си в закрытом и открытом состоянии:

.

В закрытом состоянии транзистора сопротивление R_си определяется при U_зи= 0 или при U_зи= –U_пит. R_си в открытом состоянии транзистора определяется при напряжении на затворе, гарантирующем полное откры-тие транзистора, обычно U_зи=(3÷ 4)U_пор. Сопротивление R_си в открытом состоянии транзистора различается в линейной области при U_си→ 0 и в области насыщения при U_си→ U_пит. Сопротивление R_си в области насыщения также называют выходным сопротивлением стока R_вых.

При увеличении U_си значительную роль начинает играть генерация электронно-дырочных пар путем ударной ионизации атомов кремния в области стокового p-n перехода. Скорость генерации G_avalanche определяется выражением , где α _n, α _р – коэффициенты иони-зации, или умножения, электронов и дырок, зависящие от U_си; n, p – концентрации электронов и дырок; ν _n, ν _p – скорости электронов и дырок. При достижении определенного напряжения U_пр на стоке, называемого пробивным напряжением, начинается лавинная генерация носителей заряда из-за ударной ионизации, т. е. происходит про-бой стокового p-n перехода, характеризуемый резким неконтролируемым увеличением тока стока. При этом, в общем случае, α _n, α _р→ ∞ . Критерием пробоя является равенство единице электронного J_n или дырочного J_p интеграла ионизации:

;

,

где W – толщина p-n перехода. Используя данный критерий пробоя, можно определить напряжение пробоя. Приблизительно напряжение пробоя можно определить по стоковой ВАХ (рис. 3, б).

Аналогичные характеристики имеют р-канальные транзисторы, а также нормально открытые транзисторы [5].

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться: