Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы (1988) (1095417), страница 99
Текст из файла (страница 99)
— отношение ширины канала к его длине. Приложения Подвижность заряженных носителей в поверхностном инверсионном слое канала много меньше подвижности в объеме полупроводника нз-за рассеяния заряженных носителей в очень тонком инверснонном слое между 5! и 5!Ом Подвижность носителей в канале обычно примерно в два раза меньше объемной подвижности, так что а-канальный МОП-транзистор имеет р,ь ж ж р„/2 ж 500 см'/В с, а р -канальный МОП-транзистор имеет р,„т рр/2 ю 200 см",В с.
В качестве примера рассмотрим и-канальный МОП-транзистор, у которого !,„= 1000 А = 0,1 мкм и предположим, что подвижность носителей в канале 500 см'/(В с). В этом случае параметр К равен К =* 500 см'/(В с) (3,1 !О "Ф/см/2 !О ' см) ()Р/Б) = = 775 10 ' ((Р//.) Л/В' = 7,75 ()!г/Е,) мкА/В'. Если Б = 10 мкм и В' = 100 мкм, то К = 77,5 мкЛ/В'. Прп 'гов — Р~ = +5,0 В ток стока равен ! в = 77,5 мкА/В' (5 В)' = = 1,94 мА. Передаточная проводимость при таком уровне тока равна дн — — 2/ов/(гов — РД = 2.1,94 мА/5,0 В = 0,776 мСм. У р-канального МОП-транзистора с такой проводимостью К = 31 мкА/В'.
Прн Ров — У~ = 5,0 В получим /рв = 776 мкА и йы = 310 мкСм. Б.З. Выходная проводимость полевого транзистора. 1Лзменение тока стока /ов в зависимости от напряжения сток — исток полевого транзистора (МОП или с рп-переходом) в области насыщения (активный режим) происходит вследствие эффекта модуляции длины канала, который подобен эффекту модуляции ширины базы, или эффекту Эрли, биполярного транзистора. Динамическая проводимость сток — исток аю полевого транзистора в области насыщения задается формулой (Б.!2) где параметр 1/à — коэффициент модуляции длины канала. Величина Рл имеет размерность вольт и подобна напряжению Эрли биполярного транзистора.
Значение г'„для большинства полевых транзнстороа обычно лежит в диапазоне от 20 до 200 В. Проведем упроы!епный расчет коэффициента модуляции длины канала МОП-транзитора. Эти результаты применимы и для полевого транзистора с рл-переходом. Ток стока МОП-транзистора в области иасышення задается выражением /ов = К (гов — Р,)', где К = (1/2) рС,„((р/Б). Изменение тока стока по отношению к напряжению стока, вызванное изменением длины ка- Приложения нала /., обусловлено увеличением обедненного слоя перехода ток — подложка (рис. Б.4), и определяется выражением ЙЪ = с(/оя/с(('оя (с(/озМ/-) (т(с /т((' юв) = = — (/о //.) Н /еП'оя =* /оя( — 1/1) Н-/сВ/ое (Б 13) Определим коэффициентп модуляции длина канала формулой 1/1А (1/Ь) т/~/ ~ оз' (Б.14) Вффективная, или электрическая, длина канала /. определяется выражением /. = /.о — Ь/., где /.о — длина канала при )тоа = О, а Ь/.
— ширина обедненного слоя перехода сток — подложка. Поверхностный Псяаатвсрный ннверононный Затвор снисел Рнс. Б.4. Эффект в1сяуляннн алины канала. Ширина обедненного слоя задается выражением Ь/. = = (2еМа/т//т')и' = (2е ((хоя + ~р)/дй/)Па, где й/ — степень легировання области подложки (т. е. сильно легированных и+- и р'- областей стока и истока)„а Ч~ — контактная разность потенциалов Рп-пеРехода, обычно около 0,8 В. ТепеРь дла с(/./с((хоз можно записать сЕ/Л'оа —— Щт/ (ЬЬ) с( (ЬЬ)/с((/оа = — 1 Ь//2 ((тоз + + тр) нли 1/1 А ( 1/с)т/Ь св~ о (Ь///)/2(1 оя + тр) н в итоге (Б.15) В табл.
Б.! представлены некоторые значения (х„, полученные нз этого УРавнениЯ пРи Роя = 1О В, аа = 0,5 В н длинах канала 5 О, 7,5 и 1О мкм. 570 Припав«сипи Таблица Б,! Зависимость ул от уровмв летмроваиии подложки йГ при !уои = 10 В и Ч = 0,8 В. Сопротнвненне по»ложно, Ом ом В, прн Ь АЫ мкм 5 мкм Т,5 мкм 1О мкм и-моп п-иоп 1 ° !О'в 13 5,0 3,75 7,2 21,6 36,0 3 10«1 4,5 1,7, 2,!7 28,3 53,2 78,! 1. 10вв ! 5 0 6 ' 1'!9 69 4 1 !5' !БО ' 3,10»в О 55 ' 0 23 О 68 136 2!5 294 Из табл.
Б.1 следует, что У„сильно растет с увеличением уровня легирования подложки. Однако увеличение уровня лети. рования подложки также приведет к росту порогового напряжения У!, что в свою очередь приведет к уменьшению передаточной про. водимости. Обратим также внимание на важную роль длины капала Ьо, увеличение которой вызывает очень быстрый рост У„. Однако при этом уменьшаются К, дм, а также и время пролета исток — сток, которые обратно пропорциональны длине канала.
МОП-транзисторы с коротким каналом имеют очень низкое 1'„, а также относительно низкое напряжение пробоя сток — исток Вазов, возникающее из-за эффекта «смыкания» стока и истока. Частично скомпенсировать это можно сильным легированием подложки. Однако наиболее эффективным методом является использование л1л' конфигурации в области стока, как в диффузионных МОГ!-транзисторах и МОП-структурах с У-образными канавками.
В л-канальных приборах такого типа уровень легирования области стока л-типа, прилегающей к подложке р-типа, много меньше уровня легирования подложки в отличие от обычного л-канального МОП-транзистора, в котором уровень легирования области стока л' много больше. чем подложки р-типа. В результате слабого легирования области стока л-типа обедненный слой будет в основном располагаться в области стока, так что распространение этого слоя на подложку р-типа, а следовательно, и уменьшение эффективной длкны канала Ь будет относител!но невелико. Вследствие этого У,„ и напряжение пробоя сток †исток ВУоз станет гоРаздо больше, чем в обычных пРибоРах с коротким каналом. Таким образом, диффузионные и У-образные МОП-транзисторы с коротким каналом (длина канала менее 1 мк") будут иметь очень большой параметр К и, следовательно, пере-'!и- точную проводимость дт,.
Сильно легированная (л+) часть обла«г!! стока обеспечит низкое контактное сопротивление стока. Кроме того, короткий канал позволит получить хорошие частотные ка- 571 рактеристики из-за малого времени пролета сток — исток. В то ке время эти приборы обладают большим Ул и, следовательно, „меют относительно низкую проводимость д», наряду с высоким напряжением пробоя сток — исток, Б,З.!. Выходная проводимость полевого транзистора с включенным последовательно истоку сопротивлением.
Рассмотрим схему на рис. Б.5, а, в которой последовательно истоку включено комп- » и 6 Рис. Б.Б. Выкодввв проводимость полевого трвивисторв. лексное сопротивление Яв. Можно использовать как МОП-транзистор, так и полевой транзистор с рп-переходом. В эквивалентной схеме на рис. Б.5, б проводимость д», показана как внешняя по отношению к транзистору. Полный ток 1» (переменный), протекающий через полевой транзистор, задается выражением 1» = дмое, + д»,о»„. Поскольку условие г», — — 11у»е )) 7в почти всегда выполняется, имеем о», ж ж о», т. е, выражение для 1» можно переписать в виде 1» ж ж умове + й»„о».
Для о„имеем ов„= — 1»Ув, откуда (» ю ~ — я1,2в(» + д„о». Решая последнее уравнение относительно 1», получим 1» (! + ямов) ж й»,о» н в итоге 1» му,„г(1 + йм7в) х Х о». Выходная динамическая проводимость, или динамическая проводимость стока схемы, полевого тРанзистоРа Равна Ио — — 1»/о». Решая предыдущее соотношение относительно до, найдем (Б.! 6) Б.4, Зффекгп сме~цения подложки (эффект подложки).
МОП- транзисторы в действптелыюсти имеют четыре электрода; зат- 572 Приложения вор, исток, сток и подложка. В большинстве случаев подложка МОП-транзистора объединяется внутри с истоком, так что оц выглядит как трехвыводной прибор. Однако при использовани„ МОП-транзисторов в составе ИС часто это невозможно, поскольку подложка является общей для всех МОП-транзисторов, располо. женных на кристалле. Разность напряжения между подложкой и истоком может воздействовать на общий заряд канала сток — исток и на пороговое напряжение транзистора.
Однако напряжение подложка †ист Увэ обычно гораздо слабее влияет на проводимость канала, чем напряжение затвор †ист Уоэ. Это обусловлено значительно большей шириной обедненного слоя перехода подложка †кан по сравнению с толщиной подзатворного окисла. Относительное влияние напряжения подложки на общий заряд канала по сравне.
иию с воздействием на него напряжения затвора пропорционально отношению емкости перехода подложка — канал Се к емкости затвор — канал С . Влияние напряжения подложки на характеристики МОГ1-транзистора удобнее представить через сдвиг порогового напряжения ЛУо которое является результатом изменения напряжения подложка — исток ея1'аз. Сдвиг порогового напряжения, вызванный изменением напряжения подложки, определяется выражением Кво = — бЮбрвз = С1/Сох = = (дез,Л'и(2 ( Уоо -1- ер !)'~'/(е„((ех), (Б.17) где )Ув — степень легировапия подложки, а ~р — контактная разность потенциалов перехода (-0,8 В). Для расчета нормированного коэффипиента Кол примем )Уа = 1 10" см ', 1' з + <р = = 1,0 В и (,„= !000 А.
Тогда получим Кля —— И1,602 10 " Кл х 1,04043 1О " Ф,'см х х 10" см л)!2 1,0 В)п-'((3,8 1О " Ф(см(1 10 ' см) = 0,860. (Б.18) В более общем виде выражение для Квя имеет вид Каи = 0~860 ((ох/1000 й) [(Жв'10" см Я) (1,0 В7(Увя + ЧО! ' ° (Б 10) Теперь если принять (,„= 800 А, Уо = 1 !Ом см ' и Уо, 1- ер = = 10 В, то Квз = 0,0688. Итак, напряжение подложки может оказывать значительное влияние на характеристики МОП-транзистора, хотя оно гораздо слабее влияния на эти характеристики напряжения на затворе. Воздействие напряжения подложки на ток стока можно выразить через динамическую передаточную пРоводимость подложка — сток: д„= йпз)е(Ува, Значение этой Лрилоесенив 573 где и, — динамическая передаточная проводимость затвор — исток. Одним из основных следствий эффекта подложки является часто возникающее значительное увеличение проводимости сток — исток МОП-транзистора, а это может принести к понижению коэффициента усиления по напряжению усилителя на МОП-транзисторах, ц" Рвс, Б.Е.
Блнвние зфаектв подложки нв дапамаческуае выходную проводпмос1ь, ео в которых применяется активная нагрузка. Другим следствием является увеличение динамической проводимости схемы источника тока, в которой прнменякпся МОП-транзисторы. Чтобы оценить вклад эффекта подложки в динамическую выходную проводимость МОП-транзистора, рассмотрим схему на рис. Б.б. В этой схеме работающий в режиме обеднения л-канальный МОП-транзистор используется в качестве источника тока /о = /овв. Динамическая выходная проводимость определяется выражением цо = — Но/е(~'о = ( — «(/оЛ()гоз) (г/)/озЛ()го)— — (е(/о/е/(/вв) (е(~'вз/с("'о) = — (яде'( — 1)) — (йееКзз'( 1)) = = севе + дееКвз = /рзв/Гд + 2/и вКзз/( — )/р), (Б.21) Изменение /о при изменении Го иа 1 В равно ( — 1//о) (Но/е()"о) = 1/)ед + 2Квв/( — )/р). (Б.22) Отметим, что в схеме на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
