29_kospect_electro (555831), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Такой режим наступает привеличине потенциала на поверхности полупроводника ϕ S , превышающей пороговое значениеϕ пор = 2ϕT ln( N A ni ) ,(10.1)здесь ϕ T = k T q - температурный потенциал, N A - концентрация акцепторов в подложке, ni - собственнаяконцентрация носителей. Величину порогового напряжения на затворе U ЗИ пор определяют, исходя изидеализированной структуры транзистора, включающей слой диэлектрика и приповерхностной слойполупроводника, при условии нейтральности суммы всех зарядов в структуре.
Как следует из представления оформировании структуры в виде плоского конденсатора, для расчета U ЗИ пор можно использовать соотношение:(U З И пор = d Д)2 ε 0 ε П N A ϕ пор / ε 0 ε Д + ϕ пор(10.2)Ввиду сложности проведения количественного анализа зависимости тока в канале МДП-транзистора отнапряжений на затворе и стоке I C (U ЗИ , U СИ ) при расчетах обычно используют простейшую аппроксимациювольт-амперной характеристики транзистораДля моделирования и расчета параметров n- канального МДП транзистора обычно используютпростейшую аппроксимацию вольт-амперной характеристики в виде:[()(I C = β U С И − U пор U СИ − U С2 И 2)](10.3)при U СИ < U СИ нас (в крутой области стоковой характеристики) и()I C = (β 2) U ЗИ − U пор 2(10.4)при U СИ > U СИ нас (в пологой области),здесь U СИ нас - напряжение между стоком и истоком, при котором плотность заряда электронов у стокастановится очень малой и происходит перекрытие канала.
Величина U СИ нас определяется напряжением назатворе:U СИ нас = U ЗИ − U пор .(10.5)Параметр β - это удельная крутизна вольт-амперной характеристики МДП транзистора:∂ 2 IC.∂U ЗИ ∂U СИУдельная крутизна определяется размерами структуры - длиной L и шириной канала b , подвижностьюэлектронов в канале µ n : и диэлектрической проницаемостью ε Д слоя изолятора между затворомβ=полупроводником:β = ε 0 ε Д µ n b (L d Д ) .(10.6)(10.7)При постоянных напряжениях U СИ , U ПИ величина S = d I С d U ЗИ определяет крутизну стокозатворной характеристики. Для пологого участка стоковой характеристики из (10.4) следует, что(10.8)S = β U ЗИ −U пор .()Для повышения крутизны следует уменьшать толщину подзатворного диэлектрика и длину канала, крометого, необходимо увеличивать подвижность носителей заряда в канале и его ширину. Подвижность электроновпревышает подвижность дырок, следовательно, крутизна n -канальных транзисторов больше, чем p -канальных,при одинаковых размерах МДП структуры и напряжении на затворе U ЗИ − U пор .В режимах насыщения тока в канале МДП транзистора необходимо учитывать влияние напряжения настоке U СИ > U СИ нас на эффективную длину канала(L 1 = L − ∆ L(U СИ )(10.9))∆ L (U СИ ) = 2ε 0 ε П U СИ − U СИ нас q N A .Величина ∆ L(U СИ ) характеризует длину перекрытия канала, связанную с изменением толщиныобедненного слоя стокового перехода.
Это явление называется эффектом модуляции длины канала.При проведении расчетов для заданных параметров структуры следует оценить величину ∆ L (U СИ)иопределить значение U СИ , при котором толщина обедненного слоя стокового перехода ∆ L (U СИ ) оказываетсяблизкой к длине канала. При этом представленные выше соотношения неприменимы для проведения расчетов,поскольку в этих режимах параметры и характеристики МДП транзистора определяются свойствами короткогоканала, которые будут рассмотрены при изучении интегральных полупроводниковых структур.Необходимо особо отметить зависимость электрофизических параметров транзистора от свойств слоядиэлектрика, расположенного под затвором.
Увеличение крутизны стоко-затворных (передаточных)характеристик, необходимое для увеличения тока в канале и повышения быстродействия МДП транзисторов,может быть достигнуто при использовании диэлектриков с большими значениями ε Д .Современными методами создания диэлектрических слоев для микроэлектроники удается достигнутьзначений ε Д ≥ 30 .
Это позволяет использовать МДП транзисторы с большей толщиной слоя диэлектрика иповышенным напряжением пробоя при необходимых для работы микросхем значениях крутизны стокозатворных характеристик. Однако для создания таких структур требуется разработка весьма сложныхтехнологических процессов, по этой причине обычно используют диэлектрические слои на основе окиси кремнияS i O2 .Рис 10.3. Стоковые характеристики (выходные) транзистораРис. 10.3. Стоко-затворые характеристики с индуцированным и встроеннымканалами n-типаРассмотрим принцип действия МДП-транзистора с индуцированным каналом.Образование канала p – типа:Образование обедненного слоя, приток в приповерхностный слой неосновных носителей (электронов). Приопределенной концентрации электронов происходит инверсия типа электропроводности.При изменении потенциала затвора модулируется количество подвижных носителей в канале,изменяется его проводимость и, следовательно, ток IС протекающий в канале от истока к стоку.
IС зависит отпотенциалов стока UСИ и затвора UЗИ.(Затвор соединен с истоком каналом)При Uзи = 0 канал отсутствует - два встречные включенные Pn + перехода при подаче Uси – тока в цепине будет.При Uзи < 0 (приповерхностный слой обогатится дырками, ток в цепи мало измен.)При Uзи > 0 образуется обедненный слой (обычный заряд акцепторов, затем инверсный слой электронов,т.е.проводящий канал, ток в цепи И-сток принимает конечное значение) Рабочий режим.Это индуцированные каналы толщиной примерно 1-2 нм неизменны практически. Модуляция егопроводимости осуществляется изменением концентрации носителей.Пороговое напряжение положительно для транзисторов с индуцированным каналом n-типа итранзисторов со встроенным каналом p-типаПереходные процессы определяются в МДП-транзисторах перезарядкой межэлектродных емкостей)Пусть напряжение между затвором и истоком Uзи = 0.
При увеличении положительного напряжения Uс настоке ток Ic будет нарастать. Вначале зависимость Ic = f(Uc) будет почти линейной. Однако с возрастанием Icувеличивается падение напряжения на канале, повышается обратное смещение для p-n-переходов (особенновблизи стока), что ведет к сужению сечения токопроводящего канала и замедляет рост тока Ic . В конечном итогеу стокового конца пластинки канал сужается настолько, что дальнейшее повышение напряжения уже не приводитк росту Ic. Этот режим получил название режима насыщения, а напряжение Uc, при котором происходитнасыщение, называется напряжением насыщения Uc нас. Если снять зависимость тока Ic от напряжения Uc дляряда напряжений на затворе (Uзи < 0), то получим семейство выходных характеристик полевого транзистора.В интегральных схемах МДП-транзисторы имеют общую подложку (кристалл).
У МДП-транзисторов, какследствие этого, может быть разное пороговые напряжения. Транзисторы, расположенные близко друг к другу имежду ними из-за такого близкого расстояния возникает емкостная связь.Добротность интегральных МДП-транзисторов:D=S Cгде S – крутизна характеристики; С – суммарная емкость.МДП-транзисторы в ИМС имеют малые пороговые напряжения (1-2В), необходимые для снижениянапряжения питания и согласования его с питанием биполярных ИМС.Более простая технология изготовления МДП-транзисторов, требуется одна диффузия и меньшее числоопераций фотолитографииБыстродействие определяемое паразитными емкостями (у биполярных главный фактор, определяющийбыстродействие – время пролета носителей через базу).У биполярных транзисторов емкость металлизации обычно не устанавливается.
В МДП-транзисторахдаже малыми емкостями нельзя пренебречь. Из-за паразитных емкостей добротность МДП-транзистора в ИМСстановится иногда на порядок .Добротность определяется не только его усилительными свойствами, но и его инерционностью (частотныесвойства):D=1τз=µ ⋅ (U зи − U пор ) ⋅ 2l2где τз – постоянная времени затвора; µ - приповерхностная подвижность носителей заряда в канале; l – длинаканала.Лучшие частотные свойства у МДП-транзисторов с n-каналами. l трудно сделать менее 5 -8 мкм, граница200 – 300 Мгц (у биполярных транзисторов ширина базы 1 – 2 мкм, до 10 ГГц метод_____ двойной диффузиипозволяет увеличить быстродействие до 10 ГГц.Входное сопротивление МДП-транзистора определяется утечками в слое окисла и поэтому велико 1012 –1015 Ом.В линейных усилительных схемах рабочие режимы транзисторов соответствует пологим участкамстоковых характеристик.Полевые транзисторы более устойчивы к воздействию ионизирующих излучений, так как их параметрыне зависят от времени жизни не основных носителей заряда, как и в биполярных транзисторах.
МДП-транзисторыхорошо работают и при очень низкой температуре, вплоть до температуры жидкого азота (-197С).МДП-транзисторы характеризуются низким уровнем шумов, так как в них практически отсутствуютсоставляющие шума, связанные с генерацией и рекомбинацией не основных носителей.МДП-транзисторы характеризуются высоким входным сопротивлением независимо от величины иполярности входного напряжения на затворе.В подложке из кремния n – типа с удельным сопротивлением (1-10)*10-2 Ом*см создаются две области p+- типа, одна из которых является истоком, другая – стоком. Обе области расположены на близком расстояниидруг от друга (5-50 мкм).Слой двуокиси кремния SiO2 толщиной 80 – 200 нм на поверхности полупроводникового кристалла.Лекция 11. Физические процессы в полевых транзисторах (продолжение)Статические характеристики МДП транзистора.
Определение удельной крутизны транзистора.Эквивалентная схема и модели МДП транзисторов. Связь параметров МДП транзисторов с электрофизическимипараметрами структуры. Методы улучшения параметров транзисторов.На Рис. 10.1 изображена структура МДП транзистора с индуцированным (а) и встроенным каналами (б).Рис.
10.1 Структура МДП-транзистора с индуцированным (а) и встроенным (б) каналами.Рассмотрим принцип действия МДП-транзистора с индуцированным каналом.(Затвор соединен с истоком каналом)При Uзи = 0 канал отсутствует - два встречные включенные Pn + перехода при подаче Uси – тока в цепине будет.При Uзи < 0 (приповерхностный слой обогатится дырками, ток в цепи мало измен.)При Uзи > 0 образуется обедненный слой (обычный заряд акцепторов, затем инверсный слой электронов,т.е.проводящий канал, ток в цепи И-сток принимает конечное значение) Рабочий режим.Это индуцированные каналы толщиной примерно 1-2 нм неизменны практически. Модуляция егопроводимости осуществляется изменением концентрации носителей.Пороговое напряжение положительно для транзисторов с индуцированным каналом n-типа итранзисторов со встроенным каналом p-типаПереходные процессы определяются в МДП-транзисторах перезарядкой межэлектродных емкостей)Рис 10.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
