Дьюб Динеш С. Электроника - схемы и анализ (2008) (1095413), страница 43
Текст из файла (страница 43)
Если приложить положительное напряжение между стоком и истоком, то через индуцированный канал будет протекать ток. Положительный потенциал затвора обогащает канал индуцированными зарядами, поэтому такой прибор называется обогащенным МОП-транзистором. Канал в обогащенном МОП-транзисторе распространяется в кремний на глубину от 30 до 300 ангстрем от границы оксид — полупроводник. Проводимость возникает главным образом из-за дрейфа под действием электрического поля, созданного напряжением сток — исток Ъря. Рассмотрим, как меняется ток стока при изменении положительного напряжения сток — исток Ъпя.
При малых напряжениях затвора, меньших Ът, т.е. Ътзя < Ътт, канал не образуется, и при любых разумных напряжениях Ъпя ток стока отсутствует, т.е. 10 = О. При Ъпя > Ъг и при малых Ъ'о.я, таких, что Ъ)зя < Ъпя — Ътг, ток стока зависит от напряжения Ър.я линейно. Транзистор работает в омической области. При дальнейшем увеличении Ъря действующее напряжение между затвором и стоком ЪОр (= ЪОя — Ъпя) становится ниже. Электрическое поле возле стока понижается и канал вблизи стока становится уже (рис. 9.20), вследствие чего сопротивление канала начинает возрастать и ток стока перестает расти.
При напряжении Ъ11я, примерно равном Ът, канал вблизи стока уменьшается почти до нуля (начинает проявляться отсечка), и при дальнейшем увеличении Ъ119 ток стока меняется незначительно. Здесь транзистор работает в режиме насыщения. Конечно, насьпцение зависит от напряжения затвор — сток ЪЪзя (превьппатощего "нг), и большие значения Ъзя увеличивают ток насьпцения 10. Д.й л . р . т рррр лоп 2~дз работы.
Канал формируется в результате индуцирования положительных зарядов — дырок. Пороговое напряжение обогащенного р-МОП-транзи- стора отрицательно, Ъпв и реп имеют полярности, обратные полярностям этих напряжений у п-МОП-транзистора. Рис. 9.21.
Структура обогащенного р.канального МОП-транзистора и полярности прикладыааеиых напряжений ующий 8!Оз Обедненный МОП-транзистор работает как в обедненном, так и в обогащенном режиме. Однако обогащенный МОП-транзистор работает только в обогащенном режиме. Общее название этих транзисторов— р-МОП- и и-МОП-транзисторы (в англоязычной литературе — РМОБРЕТ и ИМОБРЕТ, или РМОЯ и ХМОЯ ). и-МОП-транзисторы имеют лучшие параметры, чем р-МОП-транзисторы, в основном вследствие того, что у них канал формируется более подвижными электронами. Условные зрафичесние обозначения обозаи4енных МОП-гпранзисгпоров Условные графические обозначения приведены на рис. 9.22.
з И б) И И а) Рис. 9.22. Условные графические обозначения обогащенных МОП-траюисторов: и-МОП (а); р-МОП (б) В упрощенных обозначениях подразумевается, что подложка подключена или к выводу истока, или к земле. Разрывы в символе канала в обозначении показывают, что это обогащенный транзистор. Также обратите внимание на разное направление стрелок у н-МОП- и р-МОП-транзисторов. ~~~254 Глава р. Полевые транзисторы Так как затвор этих транзисторов отделен от полупроводника слоем изолирующего оксида, ток затвора у них чрезвычайно мал; т. е.
Хо О. Стоковые и передаточные характеристики обогаиьенного МОХХ-тпр ан вист ар а В предыдущем разделе мы обсудили появление канала между стоком и исто. ком при Ъг:и > Ъгт. Проводимость канала, и, следовательно, ток стока управляется напряжением затвор — исток (Ъбя), когда оно выше Ът, и напряжением сток-исток (Ъпя), пока Ъпя ( (Ъпя — Ът). Па выходных (стоковых) характеристиках и-МОП-транзистора (рис.
9.23) отмечены омическая область, область насьпцения и область отсечки. Рис. 9.23. Становые характери- стики обогвшениого п-МОП-тран- зистора ~с мА 1о сласть тсвчки Омическал область В омической области проводимость канала, и следовательно, ток стока управляется напряжением Ъря при Ъпя ) Ът. Зависимость тока стока имеет вид: Хп = К[2(Ъая — Ът)Ъпв ЪЫ Здесь константа .К равна (9.14) К=дсСм у (9.15) где Х вЂ” длина канала, обычно 10 мкм, ЪЪ вЂ” ширина канала, обычно 100 мкм (рис. 9.24), пн в уравнении (9.15) — поверхностная подвижность электРонов в области канала. Обычно Рн 500 смз/В. с, что сУщественно меньше значения объемной подвижности рн (1500 смз/В с).
Причины снижения подвижности — рассеивание от поверхности и от захваченных зарядов в слое оксида. у.у. у... у .,у .,у у, хоп ууууу' Переменная См в уравнении (9.15) — ем- з кость затвора на единицу площади, равная См = —, (9.16) ~ ьОх где е — диэлектрическая постоянная оксидного слоя, которая для 8502 равна 4.
Абсолютная диэлектрическая постоянная ео = 8,85 10-(4 Ф/см (ох. Рис. 9.24. Канал обогащенного МОП-транзистора; Ь вЂ” длина Область васин(енин канал, Иу — ширина канала В омической области $'ря > (рря — )ут) и ток стока в идеале постоянен и не зависит от (урн. Подставив Ъ'ся — 'ьУт вместо (урс в уравнение (9.14), получим 1р Хр = А(РЫ вЂ” Ът) . (9.17) Уравнение (9.17) дает передаточную характеристику — зависимость Хр от $Урс при постоянном (ур.с для МОП-транзистора.
На рис. 9.25 приведена передаточная характеристика. Пороговое напряжение (ут для современных кремниевых МОП-транзисторов не превьппает 2 В. Полная независимость 1р от (урн, как показано на рис. 9.23 — это только идеальное представление. В действительно- 'уое = сапа( сти 1р незначительно увеличивается при увеличении Ррс. По аналогии с модуляцией ширины базы, рассмотренной для биполярных транзисторов, этот эффект называется модуляцией длины канала.
Если фактические графики продолжить, как показано на рис. 9.26, они пересекутся в одной точке при Ъря = -1/Л. 'ууг б 10 кол(в) Величина 1/Л называется ранним напряжением. Значение Л обычно лежит в диа- 1зис. 9.20. Передаточнак характепазоне 0,01 — 0,08 В ~. Влияние эфф ристика а-канального обогащенного МОП-транзистора модуляции длины канала можно учесть, если преобразовать уравнение (9.17) таким образом: 1р = А"(РЪя — 'кт) (1+ Л1'ря) (9.18) В цифровых схемах можно пренебречь влиянием члена (1+ Л1 р.с), но в аналоговых схемах его значение может быть важным. ~~~256 Глаеа р.
Полевые тпранзнстпорьь Областпь отсечки В области отсечки напряжение затвор — исток Ъдя меньше порогового напряжения )Ут. Канал не образован и ток стока равен нулю. МОП-транзистор выключен. Рис. 9.26. Выходные характеристики и-МОП-транзистора (дополнены для вллкь страции эффекта модуляции длины канала) 9.3. Симметрия МОП-транзисторов МОП-транзистор имеет симметричную конструкцию, что позволяет ме- нять между собой выводы стока и истока, если подложка внутри транзи- стора не подключена ни к одному концу канала (рис. 9.27). Рис. 9.27. Определение стока и истока по их относительному потенциалу, если подложка не соединена с одним из выводов канала Низкий потенциал (исток) Высокий потенциал (отак) — (т ~ С Высокий потенциал (сток) Низкий потенциал (исток) В этом случае сток и исток теряют свою индивидуальность.
Определить, где сток, а где исток можно по их относительным потенциалам Например, у тт-МОП-транзистора сток должен быть при более высоком потенциале по отношении к истоку. Следовательно, тот вывод, который имеет высокий потенциал, является выводом стока, независимо от того, как ориентирован транзистор. Рис. 9.27 иллюстрирует этот момент. Это пояснение оказывается удобным при разработке ИС, содержащих большое количество МОП-транзисторов. 9.4.
Способы снижения порогового напряжения Ъ~т Чтобы схемы на МОП-транзисторах были совместимы со схемами на биполярных транзисторах, имеющих напряжение питания 5 В, надо, чтобы у них тоже было питание 5 В. Для этого требуется, чтобы пороговое напряжение Ът было около 2 В. В первых МОП-транзисторах этого было достигнуть трудно.
Теперь Ут 2 В получено благодаря следующим мерам: Транзисторы, изготовленные из кристаллов с ориентацией (111), демонстрируют Ът = 4 В, а для транзисторов из кристаллов с ориентацией (100) Ут снижается до 2 В. Применение изолирующего слоя из ингрида кремния (о1зЖ4) вместо сюя В10з дает в результате Ут 2 В. Диэлектрическая постоянная нитрида кремния в три раза больше, чем у диоксида кремния.
Как В10з, так в Б1зФ4 совместим с технологическим процессом. Применение при изготовлении затвора поликристалла кремния, легированного бором, вместо алюминия, снижает Ъ~~ из-за снижения контактной разности потенциалов между затвором и изолятором затвора.
9.5. Сравнение полевых и биполярных транзисторов У полевых транзисторов имеется несколько преимуществ перед биполяр- выми. 1. У полевых транзисторов чрезвычайно высокое входное сопротивление, обычно десятки или сотни мегом. Соответственно, полевым транзисторам для работы требуются чрезвычайно малые токи, что увеличивает время их работы от батареи. 2.
В работе биполярных транзисторов доминируют диффузные токи, а в работе полевых — дрейфовые. Дрейф зарядов более быстрый процесс, чем диффузия зарядов; полевые транзисторы удовлетворительно работают до очень высоких частот. 3. В интегральных схемах для формирования полевых транзисторов требуется меньшее число этапов, так как их структура проще. Они занимают в десять раз меньше места, чем биполярные транзисторы, что позволяет получить более высокую плотность размещения полевых транзисторов. 4. Полевые транзисторы менее чувствительны к ионизирующим излучениям.
Биполярные транзисторы чувствительны к излучению, у них меняется коэффициент передачи р'. ~~~2$8 Глава 9. Лалевьье тра зисторьь 5. При работе в качестве ключа у полевых транзисторов отсутствует смещение. Биполярным транзисторам, как минимум, требуется напряжение база — эмиттер, Ъпл 0,6 В. 6. Температурная стабильность полевых транзисторов лучше, чем биполярных. Полевые транзисторы менее чувствительны к изменениям температуры.
7. У полевых транзисторов меньше коэффициент шума, чем у биполярных. Полевые транзисторы широко применяются в ЧМ-приемниках и входных каскадах усилителей малых сигналов. Однако коэффициент усиления полевого транзистора меньше, чем биполярного. Следует заметить, что полевые транзисторы склонны к повреждениям при обращении. Из-за высокого входного импеданса, малые токи производят большие напряжения.
9.6. Заключение Были рассмотрены две основные структуры полевых транзисторов — полевые транзисторы с р-ппереходом и МОП-транзисторы. У полевых транзисторов с р-п-переходом управление размерами и сопротивлением канала осуществляется напряжением между затвором и истоком. Этот транзистор демонстрирует отличные характеристики на постоянном токе.
У МОП-транзисторов затвор изолирован от подложки. У обогащенных МОП-транзисторов нет специально сформированного канала. Вместо этого, напряжение между затвором и стоком (Ъ)зл) образует канал между стоком и истоком, создавая обращенный слой. Образование канала происходит только тогда, когда напряжение затвора достигает порогового напряжения Ът. При напряжении затвор — сток, превышающем Чт проводимость канала повышается. У обедненных транзисторов канал существует, напряжение затвор- исток управляет проводимостью канала, уменьшая число носителей в канале. Можно даже полностью исключить носители из канала. Эти транзисторы также могут работать в режиме повышения проводимости канала при реверсировании полярности напряжения затвор — исток. Танки образом, обедненные транзисторы позволяют выбрать любой из режимов обеднения или обогащения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
