Пасынков.Полупроводниковые приборы (1084497), страница 66
Текст из файла (страница 66)
Пробой р-и-перехода обычно имеет лавинный характер, так как МДП-транзисторы изготовляют обычно иа кремнии. При этом на пробивное напряжение Усн „„, может влиять напряжение на затворе: так как на сток н на затвор МДП-транзистора с нндуцированным каналом подаются потенциалы одной полярности, то с увеличением напряжения на затворе будет увеличиваться Оси „„„(см. рис. 6.9, а). Пробой диэлектрика под затвором может происходить при напряжении на затворе всего в несколько десятков вольт, так как толщина слоя диоксида кремния около 0,1 мкм.
Пробой обычно имеет тепловой характер, происходит при шнуровании тока (см. $3.13), и поэтому даже при небольших энергиях импульсов напряжения могут произойти необратимые изменения в диэлектрике. Этот вид пробоя может возникать в результате накопления статических зарядов, так как входное сопротивление МДП-транзисторов велико. Для исключения возможности такого вида пробоя вход МДП-транзистора часто защищают стабилитроном, ограничивающим напряжение на затворе.
Статические характеристики передачи. Характер зависимостей!с=)(0эн) при Оси=сонэ! ясен из принципа действия МДП- транзистора с индуцированным каналом. Характеристики для разных напряжений на стоке выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей пороговому напряжению Узн чм (см. рис, 6.9,б). С увеличением напряжения на стоке при неизменном напряжении на затворе ток стока возрастает даже в пологой части статических выходных характеристик (см.
рис. 6.9,а), что приводит к смещению характеристик передачи вверх в выбранной системе координат. Интересным и важным с точки зрения применения МДП-транзисторов является температурное изменение статических характеристик передачи. Эти изменении вызваны в основном двумя физическими процессами. Во-первых, с увеличением температуры в рабочем диапазоне температур уменьшается подвижность носителей заряда, что приводит к уменьшению тока стока, Во-вторых, происходит перераспределение носителей по энергиям н смещение уровня Ферми к середине запрещенной зоны (см. $1.8). В связи с таким смещением уровня Ферми инверсный слой образуется у поверхности полупроводника при меньших напряженностях электрического поля (см. рис. 1.21).
Поэтому с увеличением температуры пороговое напряжение Узи „,р уменьшается. В результате статические характеристики передачи для неизменного напряжения на стоке, но для разных температур пересекаются (рис. 6.11). Таким образом, температурные изменения тока стока при неизменных напряжениях на МДП-транзисторе могут быть как отрицательными, так и положительными, а также нулевыми в определенной рабочей точке статических характеристик. Обычно эффект температурной компенсации получается при напряжениях на затворе, незначительно превышающих пороговое напряжение ()зи р. Кроме того, еще надо учитывать, что крутизна характеристики 5, определяющая усилительные свойства МДП-транзистора, изменяется с температурой даже при неизменном постоянном токе стока.
В у,'л, Ф МДП-транзисторы со встроенным каналом Проводящий канал под затвором МДП- транзистора может быть создан в результате локальной диффузии или ионной имплантации соответствующих примесей в приповерхностный слой подложки.
Он может возникнуть из-за перераспределения примесей вблизи поверхности полупроводниковой подложки в процессе термического окисления ее поверхности. Наконец, проводящий канал может появиться под затвором из-за фиксированного заряда в подзатворном слое диоксида кремния, на поверхностных энергетических уровнях„а также из-за контактной разности потенциалов между металлом затвора и полупроводником подложки. Модуляция сопротивления проводящего канала МДП-транзистора может происходить при изменении напряжения на затворе как положительной, так и отрицательной полярности.
Таким хг образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта особенность МДП- транзисторов со встроенным каналом отражается и на смещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности (рис. 6.!2, а). Статические характеристики передачи (рис. 6.12, б) выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки !)зи„„т. е. напряжению между затвором и истоком МДП- транзистора со встроенным каналом, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.
5 Аб. РАСЧЕТ ВЫХОДНЫХ стдтических хАРАктеристик ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ Рассмотрим вначале удельную проводимость канала уо т. е. проводимость квадрата канала вдоль оси к единичной длины (к= 1) н единичной ширины (у= 1) (рис. 6.13). Удельная проводимость канала является величиной, обратной удельному сопротивлению слоя (см. $ 1.15): 1 Ух= =В )р1хлаг=с)рх)хлх. (6 17) Р* где р, = ) рдг — количество дырок в и единичном квадрате канала, которое можно назвать также поверхностной плотностью дырок в канале, так как Рнс.
6.13. Структура частн р, имеет размерность см ~ 1а„, — МДГ1.транзнстора, прннятая эффективная подвижность дырок в для расчета выходных статнче- скнх характеристик канале, которая из-за рассеяния на поверхности полупроводника обычно в несколько раз меньше подвижности дырок а объеме; ю — толщина канала.
Удельную проводимость канала можно представить еще в таком виде: (6.18) чрх)хлх Яех~ Рх а) 319 318 Рнс. 6.12. Выходные статнческне характернстнкн (а) н статическне характернстннн передачи ГЛ) РчххП-транзнстора со встроенным р-каналом где 1,)р, — плотность подвижного заряда (дырок) в канале. Кроме дырок в канале есть неподвижные заряды — ионизиРованные примеси в канале, есть неподвижные заряды а слое диоксида кремния вблизи границы раздела диоксид кремния— кремний. Таким образом, плотность полного заряда, изменяющаяся по длине канала из-за изменения потенциала канала при прохождении тока стока, может быть определена следующим образом: О..
= д...,. + О,. = С,.(и„— и), (6.19) где и — изменяющийся по длине канала потенциал или разность потенциалов между некоторой точкой канала с координатой х и истоком; Сз„— удельная емкость между затвором и каналом. При напряжениях на затворе, не превышающих порогового изн „., канала под затвором еще нет, т. е. под затвором находится обедненный основными носителями слой, содержащий только неподвижные заряды.
Поэтому (6.20) !зг з =С иэи р ° Из соотношений (6.19) и (6.20) находим плотность подвижного заряда: р„=с,„(и„- и„...— и). (6.21) Ток, проходящий по каналу от истока к стоку и одинаковый во всех сечениях по длине канала, или тох стока, 7,=7,ЬЕ,=Т,Ь! 1иУ! !, (6.22) где Ь вЂ” ширина канала; Е, — изменяющаяся по длине канала продольная составляющая напряженности электрического поля.
Отсюда, используя (6.18) и (6.21), получим ззсз (с(п( =ц„С„Ь ") (из„— и,„„„— и)1и. Тогда для крутой части выходных статических характеристик (6.23) !~ = — "*~"--) (изи — изн ...) исн —— Для получения выражений, соответствующих пологим частям выходных статических характеристик, надо учесть, что при потенциале стокового конца канала и(1)э исн „„происходит перекрытие канала около стока. При. этом дырок (подвижного заряда) в перекрытой части канала почти нет. Они проходят перекрытую часть канала под действием большой продольной составляющей напряженности электрического поля со скоростью, равной скорости насыщения.
Поэтому можно считать, что в канале около стока з',зр,жО. Тогда, используя (6.21), получим Ярз=сзз(изн — изизар исизас) О, отсюда исн „., = из. — и„„, (6.24) зго Для пологой части выходных статических характеристик, подставляя (6.24) в (6.23), получим ~с гз (изи иэи зар) ,с,„ь (6.25) Таким образом, ток стока в первом приближении не зависит от напряжения иа стоке прн иси) иси-' 1 ь.г.
ЛАРАметвы и свонсвА пОлейых тРАнзистОРОВ с изОПНРОВАнным здтвОРОм з = — ! =-"~' — ' —" Оси. Е!с 1 Р.С,„Ь з!срач!Ззсн=з азз (6.26) Для пологой части выходных статических характеристик крутизна характеристики передачи может быть получена путем дифференцирования (6.25) по напряжению на затворе: 3= ""'-' (и,.— изн (6.27) Как видно, для увеличения крутизны характеристики исходный полупроводник должен обладать большей подвижностью носителей заряда.
Транзистор с л-каналом имеет большее значение крутизны характеристики по сравнению с транзистором с рканалом, так как подвижность электронов превышает обычно подвижность дырок. Крутизна характеристики будет больше в полевых транзисторах с меньшей длиной канала. Нижний предел длины канала ограничен технологией изготовления.
Обычно для изготовления полевых транзисторов с изолированным затвором применяют плаиарную технологию н метод фотолитографии, разрешающая способность которого не позволяет получать длину канала меньше 3 — 4 мкм. Крутизну характеристики можно увеличить путем увеличения удельной емкости между затвором и каналом. Эта емкость определяется относительной диэлектрической проницаемостью и толшиной слоя диэлектрика под затвором.
Использование диэлектрика с большей относительной диэлектрической проницаемостью приведет к увеличению крутизны характеристики, но одновРеменно увеличатся и паразитные емкости между затвором и стоком, между затвором и истоком, что отрицательно повлияет зг! Основным параметром полевого транзистора с изолированным затвором, отражающим его усилительные свойства, является крутизна характеристики (см. $6.1). Крутизна характеристики передачи при низкой частоте, соответствующая крутой части выходных статических характеристик, может быть определена путем дифференцирования (6.23) по напряжению ца затворе при неизменном напряжении на стоке: на частотные свойства полевого транзистора.
Уменьшение толщины слоя диэлектрика под затвором может также привести к недопустимому уменьшению пробивного напряжения этого слоя между затвором и стоком. Увеличение ширины канала приводит к увеличению крутизны характеристики, но одновременно и к ухудшению частотных свойств полевого транзистора в связи с увеличением паразитных емкостей. Физическая эквивалентная схема полевого транзистора с изолированным затвором аналогична физической эквивалентной схеме полевого транзистора с управляющим переходом (см. рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
