29_kospect_electro (555831), страница 10
Текст из файла (страница 10)
МДП-структура с электрически управляемой проводимостьюслоя полупроводникаРассмотрим использование эффекта поля для создания электрически управляемого сопротивления спомощью МДП-структуры (см. рис. 9.3). Сопротивление тонкого слоя полупроводника (толщина ~ 0,1 мкм)изменяется в зависимости от электрического поля, создаваемого напряжением на затворе.Инерционность такой МДП-структуры определяется временем накопления неосновных носителей.
Этовремя можно снизить введением дополнительной диффузионной области, сильно легированной n+-области.Исток либо заземлен, либо на него подается напряжение U И . При этом быстродействие структурыувеличивается на несколько порядков.МДП-структуру можно рассматривать как двухслойный конденсатор: первый слой – диэлектрик, второй –приповерхностный слой полупроводника, эквивалентная схема представляет собой два последовательновключенных конденсатора с емкостями С Д и С П (емкости диэлектрика и полупроводника). Первыйконденсатор реально существует в структуре.Емкость диэлектрической части МДП-структуры C Д =ε 0ε Sd- определяется по формуле плоскогоконденсатора. Второй конденсатор является эквивалентным: он отражает процессы изменения заряда вповерхностном слое полупроводника при изменение напряжения на затворе.
Заряд в приповерхностном слое Q Пв зависимости от режима работы может быть образован электронами, дырками, или ионами примеси. Поопределению дифференциальной емкости:CП =dQпdϕ S,(9.6)В режиме обогащения проявляется сильная зависимость поверхностной концентрации электронов идырок, следовательно, и заряда в приповерхностном слое Q П от потенциала ϕ S . При этом емкость С П >> C Д иэквивалентная емкость структуры равна C Д (все напряжение приложено к диэлектрику).При напряжении на затворе U З > 0 дырки отталкиваются от поверхности, их концентрация уменьшается.Концентрация носителей обоих знаков у поверхности мала по сравнению с концентрацией примесей p S и n S<< N A . У поверхности существует обедненный слой с пренебрежимо малой проводимостью (в нем существуетотрицательный заряд, образованный некомпенсированными ионами акцепторов).Емкость обедненного слоя можно определить, исходя из модели плоского конденсатора с площадьюпластин S :C ОС =dQОС ε 0 ε S=dϕ Sλ ОС(9.7)Поскольку толщина обедненного слоя λОС пропорциональнаϕ S и C ОС =ε 0ε q N AS , то с2ϕ Sростом напряжения на затворе увеличивается пороговый потенциал и уменьшается С ОС .В режиме инверсии в приповерхностном слое возникает отрицательный объемный заряд, обусловленныйионизированными акцепторами обедненного слоя QОС и электронами инверсного слоя Qин .
В этом случаеемкость полупроводниковой области структуры определяется суммой емкостей обедненного и инверсного слоев:CП =dQОС dQин+= С ОС + С инdϕ Sdϕ S(9.10)Эквивалентная схема:СДС ОСС инПоскольку С ин >> C ОС , С Д , полная емкость МДП–структуры оказывается равной емкости диэлектрика.Следует отметить, что указанные структуры проявляются при условии f << (2π τ ) , где τ -время−1формирования инверсного слоя.
Если f > (2π τ ) , то заряд инверсного слоя не успевает следить за изменениями−1напряжения на затворе и остается постоянным, С ин →0 и в эквивалентной схеме на высоких частотахучитываются последовательно соединенные емкости С ОС << С Д . В этом случае суммарная емкость принимаетминимальное значение, приближенно равное С ОС .СНЧСмаксt1t2>t1Смин = CДВЧUUпоррежимобогащениярежимобедненияЗрежиминверсииРис 9.4. Вольт-фарадная характеристика МДП структуры.Электроны, формирующие инверсный слой, возникают вследствие тепловой генерации электроннодырочных пар в обедненном слое у поверхности. Генерируемые дырки уносятся вглубь полупроводника, аэлектроны – к поверхности, где и накапливаются.
Возможно диффузия электронов из глубины пластины как неосновных носителей. Тепловая генерация создает ток электронов к поверхности (~10-10A). Формированиеинверсного слоя представляет собой медленный процесс, длительность которого от 1 мс до нескольких секунд.В режиме обеднения емкость уменьшается, поскольку последовательно с емкостью диэлектрикавключается емкость обедненного слоя, которая уменьшающаяся с ростом напряжения.Наличие поверхностного заряда приводит к возникновению режима обеднения даже при нулевомнапряжение на затворе, если же заряд велик, может возникнуть и инверсия. Обычно в пленке SiO2 имеетсяположительный заряд из-за наличия положительных ионов (Na+ и др.).
Поверхностный заряд приводит к сдвигувольт-фарадной характеристики влево на величину∆U З =Q0CДСQ0>0∆UзQ0=0UЗ0Рис 9.5. Определение величины поверхностного зарядаПо частотной характеристике в режиме инверсии определяют время формирования инверсного слоя, приэтом по отношениюC максС минопределяют концентрацию примесей и потенциал инверсииN ϕ ин = ϕ Т ln A . ni Лекция 10. Физические процессы в полевых транзисторахПринцип управления током в полевых транзисторах. Сопоставление с биполярнымитранзисторами. Особенности структур МДП-транзисторов с индуцированным и встроеннымканалами.Полевой транзистор – полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловленыпотоком основных носителей, протекающим через проводящий канал, и управляемым электрическим полем(полевые транзисторы управляются электрическим полем и поэтому называются полевыми).
Принцип действияполевого транзистора основан на изменении под действием электрического поля проводимости небольшойобласти в полупроводнике, в которой регулируется поток носителей заряда. Эта область называется проводящимканалом.В переносе тока в канале участвуют носители заряда одного знака (в канале n – типа – электроны, вканале p – типа – дырки), поэтому полевые транзисторы называются «униполярными», в отличии от«биполярных».Отличие от биполярных транзисторов (в биполярных транзисторах входное сопротивление не велико –сопротивление p-n перехода при прямом смещении). Полевой транзистор обладает высоким входнымсопротивлением, определяемым либо высоким сопротивлением изолирующей пленки, либо сопротивлениемобратно смещенного p-n перехода.Полевой транзистор изготавливается на полупроводниковом кристалле, который называетсяподложкой.
Он содержит три рабочих электрода (исток, сток и затвор). Через исток впроводящий канал втекают носители заряда, через сток заряды вытекают. На затвор подаетсяэлектрический сигнал, управляющий величиной тока в проводящем канале.Два типа полевых транзисторов:1. С управляющим p-n переходом.2. С изолированным затвором на основе МДП-структуры:а) с индуцированным каналом;б) с встроенным каналом.Полевой транзистор с управляющим p-n переходомМДП-транзистор – это полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан наформировании потока основных носителей, протекающего через проводящий канал между областями истока истока и управляемого электрическим полем. В таком транзисторе под действием электрического поля,создаваемого изолированным управляющим электродом - затвором, изменяется проводимость полупроводника исоответствующий ток в проводящем канале.
МДП-транзистор является одним из типов полевых транзисторов, вкоторых используется движение носителей одного знака.В зависимости от типа проводимости канала различают транзисторы с каналом n- или p-типа.Проводящий канал может быть сформирован как в технологическом процессе изготовления МДП-структуры, таки при воздействии на структуру электрического поля, создаваемого затвором (рис.
10.1). В первом случае этоМДП- транзистор с встроенным каналом с таким же типом проводимости, что и сильно легированные областиистока и стока.В транзисторе с индуцированным каналом возникновение тока между областями истока и стокавозможно, когда напряжение на затворе превышает определенное пороговое значение U пор . Ток канале I Cзависит от напряжения на затворе и напряжения между стоком и истоком U СИ . Сопротивлениеиндуцированного канала является функцией напряжения на затворе, что позволяет модулировать ток канале I C ,изменяя напряжение на затворе.МДП-транзисторы изготавливаются на полупроводниковой подложке из кремния с изолирующим слоемдиэлектрика SiO2 на поверхности и алюминиевыми электродами.
Возможно применение диэлектрическойподложки, в качестве подложки используют синтетический сапфир. Подложка изготавливается из материала свысоким удельным сопротивлением. Диэлектрическая подложка способствует улучшению частотных свойствтранзистора, в этом случае значительно уменьшены паразитные емкости достигается большая стабильностьпараметров полупроводникового прибора.Рис. 10.1 Структура МДП-транзистора с индуцированными встроенным каналами.В лекции в качестве исследуемой структуры рассматривается МДП-транзистор с индуцированнымканалом, который формируется в полупроводниковой подложке p - типа.
Предполагается, что транзисторn-включен по схеме с общим истоком при отсутствии напряжения U ПИ между подложкой и истоком (рис. 10.2).При этом исключается влияние подложки на величину порогового напряжения и упрощаются расчетныесоотношения, описывающие зависимости тока в канале I C от напряжений U СИ и U З И .В основе механизма действия такого транзистора рассматривается эффект поля в МДП-структуре, котораясостоит из металлического затвора, тонкого диэлектрического слоя толщиной d Д , полупроводниковойподложки с противоположной проводящему каналу типу проводимости и металлического электрода,обеспечивающего омический контакт с подложкой. В зависимости от знака и величины напряжения на затвореотносительно подложки различают три режима приповерхностного слоя полупроводника:Рис.
10.2. Схема включения МДП-транзистора с общим истоком.обеднения носителями заряда, инверсии типа проводимости и обогащения. В полупроводнике p - типа приувеличении напряжения на затворе последовательно возникают режимы обеднения и инверсии, последнийсоответствует формированию в МДП-транзисторе индуцированного n - канала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
