L_5 (Конспекты лекций), страница 2

5.4, тчк.»А»). Её ориентировочное положение можно найти из уравненияUзи. А.= U зи.отс − U 1,где U зи. А − напряжение на затворе в термостабильной рабочей точке;U зи. отс. − напряжение отсечки на затворе, при котором прекращается ток стока.U 1 = 0,63 В.То, что для любого типа транзистора существует такое значение тока стока,при котором его величина перестаёт зависеть от температуры, объясняется действием двух противоположных факторов:• повышение температуры окружающей среды приводит к повышению сопротивления полупроводника и уменьшению тока стока;• повышение температуры приводит к уменьшению толщины p-n-переходаи, следовательно, к расширению канала и увеличению тока стока..Эти два фактора компенсируют друг друга, и ток стока почти перестаёт реагировать на изменения температуры окружающей среды.9В режиме больших токов, при изменении температуры, происходит уменьшение тока стока, уменьшение мощности рассеиваемой на транзисторе, следовательно, такие транзисторы в меньшей степени, чем биполярные, подвержены тепловому пробою.Канальные транзисторы, выполненные на основе кремния, при правильномвыборе положения РТ на ВАХ, способны устойчиво работать при температуредо 2000С.Частотные свойства полевого канального транзистора.Предельная частота канального транзистора определяется на уровне 0,7 статического значения крутизны характеристики.

Инерционные свойства полевоготранзистора зависят от процессов перезаряда его входных и выходных емкостейтранзистора и от конечной скорости носителей заряда. Главным ограничениемчастотного диапазона полевых транзисторов являются его паразитные ёмкости.Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом используются и в аналоговой, и в цифровой технике (ключи на транзисторах с управляющим p-nпереходом входят в состав таких микросхем, как 284 , 504 и др.).В интегральной технике ведущее место принадлежит МОП-транзисторам, окоторых речь пойдёт дальше.2.2.

Полевые транзисторы с изолированным затвором (МОПтранзисторы)В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние междусильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона.Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика.

Так как исходным полупроводникомдля полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрикаиспользуется слой двуокиси кремния SiO 2 , выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрикананесён металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая изметалла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.10Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 1010…1014 Ом(у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 107…109), что являетсяпреимуществом при построении высокоточных устройств.2.2.1.

Общие сведенияМ − металл, П − полупроводник, Д(O) − диэлектрик (в современных интегральных схемах в качестве диэлектрика используется окисел кремния SiO 2 , отсюда и название − МОП).Слово IGFET означает полевой транзистор с изолированным затвором.Раньше эти транзисторы иногда называли MOSFET, что не меняло сути, а звучало как полевой затвор со структурой «металл-окисел-полупроводник». Демонстрация принципа действия первого полевого транзистора произошла в начале30-х годов, когда было предложено использование поверхностного полевого эффекта.В 1960 году был создан первый кремниевый МОП-транзистор (учёные Танги Аттала). В качестве диэлектрика был применён термический окисел кремния(SiO 2 ).

В современных ИС толщина диэлектрика в МОП-транзисторах d ≈0,002…0,05 мкм.Полевой МОП-транзистор является фактически главным элементом в современных цифровых микросхемах. Его главным достоинством является почти безукоризненная работа в качестве электронного ключа и незначительное количество паразитныхэффектов. Кроме того, МОП-транзисторы обеспечивают высокую плотность интеграции при изготовлении сложных интегральных схем (ИС): они не нуждаются в изоляционных слоях, так как в таких транзисторах затвор отделён от канала диэлектриком.Полевой МОП-транзистор ─ это прибор с четырьмя выводами (затвор, исток,сток, подложка).Индуцированный p-каналИндуцированныйn-каналВстроенный p-каналВстроенный n -каналРис.5.5.

Схемное изображение полевых транзисторов с индуцированным и встроенным каналами в виде 4-полюсных приборов11Четвёртым выводом у МОП-транзистора является подложка.На рис.5.5. показано условное схемное изображение МОП-транзисторов сразным типом проводимости каналов в виде 4-полюсных приборов. Посколькуфункция подложки вторична, то её не всегда вносят в обозначение МОПтранзистора в схемах (предполагается, что подложка подключается к соответствующему выводу источника питания). В этом случае МОП-транзистор изображается как 3-полюсный прибор (рис.5.6).И если четвёртый вывод не показан на схеме, то это значит, что подложка подключается к соответствующему выводу источника питанияРис.5.6.

МОП-транзистор в виде 3-полюсного прибораВ зависимости от типа канала различают МОП-транзисторы с n-каналом иp-каналом. При n-канале используется подложка p-типа, при p-канале ─ подложка n-типа. В n-канале ток переносится электронами, а в p-канале ─ дырками.В современных интегральных схемах (ИС) преимущество отдаётся МОПтранзисторам с n-каналом: они более технологичны, поэтому в предлагаемойтеоретической части курса о полевых транзисторах с изолированным затворомосновное внимание будет уделено МОП-транзисторам с n-каналом.В основе классификации МОП-транзисторов лежат две конструктивныеособенности − индуцированный канал и встроенный каналы (рис.5.7 и рис.5.8соответственно).2.2.2.

МОП-транзистор с индуцированным каналомНа рис.5.7. показана структура МОП-транзистора с индуцированным (наведённым) n-каналом на подложке p-типа. Области стока и истока имеют повышенную концентрацию донорной примеси, а подложка легируется примесьюслабо.Металлический затвор отделён от канала диоксидом кремния (SiO 2 ).

Выводы от истока, истока, затвора выполнены на основе омического (невыпрямляющего) контакта «Металл-полупроводник». На рис.5.7. подложка показана как самостоятельный вывод. На самом деле её обычно соединяют с истоком. Области12стока и истока на границе с подложкой p-типа образуют два, встречно включенных перехода.ЗатворПодложка Исток_UзиСток+Uси+ИстокЗатворСтокSiO2Zn+P-n-переходn-каналLnn++P-n-переходP-подложкаРис.5.7. Структура МОП-транзисторас индуцированным n-каналомn+P-n-переходn-каналn+P-n-переходp-подложкаРис.5.8 Структура МОП-транзисторасо встроенным n-каналомЕсли подать напряжение питания в цепь стока, а на затворе U зи = 0, то ток вканале будет отсутствовать (за исключением тока неосновных носителей обратносмещённых переходов).Если на затвор подать отрицательное напряжение, а на стоке сохранить положительное, то тока всё равно не будет: канал между стоком и истоком заполнится положительными зарядами, подтянутыми из p-подложки электрическимполем затвора.Если на затвор подать положительное напряжение, то под действием ускоряющего поля затвора в приповерхностный слой начнут подтягиваться носителиn-типа.

Уровень напряжения на затворе, при котором в канале появляется проводимость, называется пороговым напряжением. Обозначим его через U 0 . При U зи≈ 2U 0 образуется токопроводящий канал (индуцированный), который соединитобласти стока и истока, и ток стока достигнет своего номинального значения.При снятии напряжения с затвора токопроводящий канал исчезает. Представим,что мы выполнили ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) на МОПтранзисторах с индуцированным каналом. Той информации, которую мы поместили в ПЗУ, необходим «электрический сторож» и, если питание по техническим причинам исчезнет, то и информация будет утеряна.13мАIсIсномUзиU0Iс5В605040302010Uзи = 2U04В3В2ВUзи= 1ВAUси2 4 6 8 10 12 14 16 ВUси.нас =Uзи - U0Рис.5.9.

Стокозатворная характеристика МОП-транзистора с индуцированРис.5.10. Стоковые ВАХ МОПным каналомтранзистора с индуцированным каналомВывод. Рабочий режим МОП-транзистора с индуцированным n-каналомвозможен только при положительном напряжении на затворе, когда канал обогащается носителями n-типа, то есть такие транзисторы работают только в режиме обогащения (рис.5.9).На рис.5.10. представлено семейство стоковых ВАХ транзистора с индуцированным каналом.

Крутой участок стоковых ВАХ используется в ключевом режиме, а пологие участки ─ для линейных усилительных каскадов.Использование в ключевом режиме крутых участков ВАХ диктуется необходимостью получения возможно малого остаточного напряжения на выходе открытого до насыщения транзисторе.а) для крутых участков ВАХ, где U си < U зи − U o , ток стока является функцией двух напряжений:2I = b[(U зи − U о) U си − 0,5U си ],с(5.9)где b − удельная крутизна МОП-транзистора, мА/В2;b = µ C o × Z L,(5.10)где С o − удельная емкость между металлом и поверхностью полупроводника(затвор-канал), определяет управляющую способность затвора, пФ/мм2:Со = ξ о ξ дd,(5.11)где d − толщина диэлектрика.Ключевые схемы работают на крутых участках ВАХ, то есть при очень малом остаточном напряжении на открытом МОП-транзисторе (порядка0,1 В и меньше), следовательно, справедливо выражение U си << (U зи − U о ), а по-14тому в формуле (4.9) можно пренебречь квадратичным членом, в результате чегоона принимает видI = b(U зи − U o) U си.(5.12)cСопротивление канала(5.13)R 0 = 1 / b(U зи − U 0 ).Как видно из (5.13) сопротивление канала можно регулировать в широкихпределах, изменяя напряжение на затвореПри U си > U син ток стока остается без изменения: I с = I сн , поэтому, подставив в формулу (5.9) значение U син = U зи − U 0 , получим выражение (5.14) для пологих участков ВАХ;б) для пологих участков ВАХI = 0,5b(U зи − U 0) 2 .с(5.14)Из выражения (5.13) можно получить значение крутизны МОП-транзистора(5.15)S = b(U зи − U 0 ).За номинальный ток МДП-транзистора принимается ток, соответствующийнапряжению на затворе U зи ≈ 2U o , следовательно, S = bU 0 , а токIс.