Петров К.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты (2003) (1152094), страница 56
Текст из файла (страница 56)
Помимо транзисторов с электронным каналом существуют транзисторы с дырочным каналом. Их схематические изображения показаны на рис. 5.9, в и г. В транзисторе со встроенным каналом ток через канал существует прн подаче на сток положительного напряжения и прн нулевом напряжении на затворе. При подаче на затвор отрицательного напряжения возникает вертикальное электрическое поле между подложкой и затвором, которое выталкивает электроны из канала, в результате чего проводимость канала уменьшается.
При положительном напряжении канал обогащается электронами, и его проводимость возрастает. В транзисторе с индуцированным каналом при подаче на сток положительного напряжения н нулевом напряжении на затворе проводящий канал между истоком и стоком отсутствует.
При подаче на затвор положительного напряжения возникает поперечное электрическое поле, направленное перпендикулярно поверхности полупроводника, которое выталкивает из приповерхностного слоя дырки и притягивает электроны. В результате распределение концентрации электронов и дырок в направлении оси х, перпендикулярной поверхности полупроводника, принимает вид, показанный на рис. 5.10, а. В тонком слое толщиной Ь выполняется условие п(х)р(х) = л,', поэтому этот слой оказывается обедненным подвижными носителями заряда: в нем преобладают отрицательные заряды акцепторов. Чем больше напряжение и, „, тем толще обедненный слой. При некоторой величине и, „= и„.и называемой пороговым напряжением, концентрация электронов и, на поверхности полупроводника оказывается равной концентрации дырок р„в объеме полупроводника (рис.
5.10, б). При напряжении и, „> и„.г концентрация электронов и, на поверхности оказывается больше концентрации дырок в объеме полупроводника (рис. 5.10, в): на поверхности образуется (индуцируется) канал толщиной Ы„с электронной проводимостью, отделенный от подложки обедненным слоем толщиной Ь. Изменяя напряжение и, „, можно изменять толщину канала Ы„, а следовательно, его проводимость. 5.3. Полевые т анзисторы о изолированным затвором рис. в.1о Расчет порогового напряжения Е.
,— Е,, р =л,.ехр ИТ (5.33) Учтем, что при подаче и„концентрация электронов на поверхности возрастает до значения и, = р, (рис. 5.11, б). При этом равновесное состояние полупроводни- ка не нарушается. Поэтому формулы (5.32) и (5.33) справедливы для расчета по- верхностных концентраций: -(Еа -Е„) вТ (5.34) Еь — Егр р, = цехр вТ (5.35) Здесь Еа — энергетический уровень, соответствующий середине запрещенной зоны на поверхности полупроводника. Для расчета порогового напряжения рассмотрим МДП-структуру (металл — диэлектрик-полупроводник), к которой приложено напряжение и, „(рис. 5.11, а). Такая структура представляет собой своеобразный конденсатор, одной из обкладок которого является полупроводник.
При подаче на конденсатор внешнего напряжения и, „на его обкладках возникают электрические заряды, равные по величине и противоположные по знаку. Заряд на металлической обкладке (затворе) сосредоточен на поверхности, примыкающей к диэлектрику, а заряд в полупроводнике распространяется на некоторое расстояние Ь вглубь полупроводниковой подложки. Внешнее напряжение и, „распределяется между диэлектриком и подложкой, то есть и, „= и, + и,. При этом поверхность подложки, примыкающая к диэлектрику, приобретает потенциал ср,.
Если и, „= и„,и то потенциал поверхности ~р„= 1р„.к Для нахождения и,„, надо по отдельности определить |, и и,. Для определения ~р„„, воспользуемся соотношениями (1А8) и (1.49): — 1Е, — Е,р) и =л ехр 'вТ (5.32) 54. Полевые транаисторы ж изолированным затвором Известно, что в равновесном состоянии положение уровня Ферми Ег, сохраняется неизменным. Следовательно, при изменении концентрации электронов и дырок на поверхности полупроводника должно изменяться положение уровня Еь. Это значит, что при увеличении и, и уменьшении р, должно наблюдаться искривление границ энергетических зон (рис. 5.11, в) на величину ур„., = Е; — Е,, Положение Е„определим из условия л, = р„из которого следует Ет„— Е, = Е, — Ег .
Отсюда получаем Е, = 2Ет, — Е,. Следовательно, (5.36) Учтем, что положение уровня Ферми определяется соотношением (1.51): Е „=Е, — ЕТ 1п — ',. М, л~ Здесь Ж, — концентрация примеси в дырочной подложке. Следовательно, *яТ ут', ф„= 2 — 1п — '. гу н,. (5.37) С„= е,е,г'г(„, где Ȅ— толщина диэлектрика; е, — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Между обкладками конденсатора приложено напряжение и,, которое можно вы- разить через электрический заряд на его обкладках: и, =0/См, Заряд (,г, представляет собой заряд ионизированных акцепторов в слое толщи- ной ук 0„= ~у)т', д, Обедненный слой по своим свойствам аналогичен электронно-дырочному переходу, к которому приложена разность потенциалов <р, = ~з„, поэтому его толщина Из (5.37) следует, что величина порогового потенциала зависит от концентрации примеси в подложке.
Изменение потенциала подложки в приповерхностной об- ласти полупроводника, повторяющее искривление границ энергетических зон, показано на рис. 5.11, к Для нахождения напряжения и, учтем, что МДП-структура является конденсато- ром, удельная емкость которого равна Глава б. Полевые транзисто ы может быть рассчитана но формуле, выведенной ранее для расчета толщины р-п-перехода: 2е„е ~р„ дХ, Здесь е„— относительная диэлектрическая проницаемость подложки. Таким образом, заряд на обкладках конденсатора оказывается равным а - ди ь =,/и~ .~Р р.„.
а напряжения на диэлектрике равно с,/2д р,У,р.„ (5.38) Выведенные соотношения для у„и и, справедливы для идеального случая, когда при отсутствии внешнего напряжения и, „ искривление границ энергетических зон на поверхности полупроводника отсутствует, В действительности нз-за наличия поверхностного заряда Я„ обусловленного дефектами кристаллической стРУктУРы, и контактной Разности потенциалов (Рмбо междУ затвоРом и подложкой всегда имеет место изначальное (исходное) искривление границ энергетических зон на поверхности полупроводника.
Поэтому при подаче на затвор напряжения и, „надо сначала устранить это первоначальное искривление границ энергетических зон, а затем обеспечить такое искривление этих границ, которое необходимо для индуцирования поверхностного канала. Если на поверхности подложки имеется поверхностный заряд Я„, то возникающее при этом искривление энергетических зон должно быть ликвидировано путем подачи на затвор напряжения и, „= — Я,/С„„полярность которого противоположна полярности заряда. Искривление энергетических зон, обусловленное контактной разностью потенциалов, должно быть ликвидировано путем подачи напряжения и, „= — чтмпо.
Таким образом, на затвор МДП-транзистора должно быть подано пороговое напряжение и м,,/2льул„ц, (5.39) Практически значение порогового напряжения лежит в пределах от 0,5 до 3,5 В. Расчет тока через канал Для расчета тока воспользуемся моделью МДП-структуры (рис. 5.12), на которой показаны распределение потенциала ~р(х) вдоль канала и распределение отрицательного заряда р(х) в канале с учетом того, что потенциал вдоль оси х изменяется от нуля до и, „. ЗО1 6.. Палевые транзисторы изоли ванным затво ом Рис.
6.12 Поэтому напряжение между затвором и каналом изменяется вдоль оси х, то есть и „(х) = (и, „— и,. ) — я1(х). При этом напряженность вертикального электрического поля в оксиде будет определяться уравнением где Н, — толщина диэлектрика. Плотность поверхностного заряда равна р.( )= л%( ) Здесь е„— относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Плотность объемного заряда равна Здесь о'„(х) — толщина канала, изменяющаяся вдоль оси х. Удельную проводимость канала на расстоянии х от истока можно выразить следующим образом:, гт„(х) = р,(х) р„— "' [и, - и„,, - д~(х)) .
о„(х)Н, ЗО2 Глава 5. Полевые т анзисторы Здесь р — поверхностная подвижность электронов в канале; она примерно вдвое меньше объемной подвижности, что объясняется дополнительными механизмами рассеяния, связанными с близостью поверхности. Плотность тока в канале определяется законом Ома: )„(х) = со„(х)е(х) = со„(х) — = ' ~и, „— и — ор(х)] йр(х) )о е,е, ойр(х) Через любое сечение х в структуре протекает один и тот же ток 1, =),(х)Ы„(х)= — "' о [и, „-и -~р(х)] —.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
