Teory (722476), страница 12

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 12)

Рис. 3.6. Структура МОП-транзистора с индуцированным n-каналом

Рис. 3.7. Структура МОП-транзистора со встроенным n-каналом

Имея такое преимущество и, кроме того, являясь более быстродействующими (скорость движения электронов гораздо больше, чем дырок), МОП-транзисторы с n-каналом получили большее распространение.

Как и в канальном у МОП-транзистора управляющим электродом является затвор. Ток в цепи стока будет зависеть от режима, который задан по затвору

1-й режим. Затвор соединен с истоком (Uзи=0).

Ток в цепи стока будет ничтожно мал, так как при заданных условиях между стоком и истоком действуют два встречно включенных p-n⁺-перехода, и канал фактически отсутствует.

2-й режим. На затвор подано отрицательное напряжение (Uзи < 0).

Приповерхностный слой обогащается дырками, подтянутыми из подложки полем затвора. Тока в цепи стока по-прежнему не будет.

3-й режим. На затвор подано положительное напряжение (U_зи>0).

Приповерхностный слой обогащается носителями  электронами, образуя n-канал. Уровень напряжения на затворе, при котором появляется проводимость в канале, называется пороговым U_о (практически значения полного порогового напряжения лежат в пределах U_o = 0,53,5B. Дальнейшее увеличение положительного напряжения на затворе вызывает рост тока во внешней цепи; ток в цепи стока достигает своего номинального значения при напряжении на затворе примерно равном удвоенному пороговому напряжению (при U_зи  2U_о).

Заключение по режимам:

режим третий является рабочим;

канал, отсутствующий в равновесном состоянии (при отсутствии напряжения на затворе) и образующийся под действием внешнего напряжения (в данном случае  положительного), называется индуцированным
(рис. 3.6). Длина канала равна расстоянию между стоком и истоком (L), а ширина  протяженности слоев стока и истока (Z). Толщина индуцированного канала практически неизменна и составляет 12 нм, поэтому модуляция его проводимости возможна лишь за счет изменения концентрации носителей, подтянутых в канал из подложки. Транзисторы с индуцированным n-каналом работают только при положительной полярности напряжения на затворе, то есть в режиме обогащения канала (рис. 3.8, а)

для полевого транзистора с индуцированным каналом параметр напряжения отсечки U_отс теряет смысл, а более удобным будет понятие порогового напряжения U_о. Так как номинальный ток через транзистор с индуцированным каналом развивается при условии, если напряжение на затворе
U_зи  2U_о, то и максимальная крутизна его достигается при U_зи  2U_о;

если концентрация электронов, поступившая из диэлектрика, очень высокая, то в подложке p-типа между стоком и истоком образуется n-канал, но он возникает при Uзи = 0, следовательно, такой канал уже нельзя называть индуцированным, и транзистор в этом случае принято называть МОП-транзистором со встроенным каналом (встроенным заранее). Технологически встроенный канал получают с помощью ионного легирования в виде тонкого приповерхностного слоя. Такие транзисторы работают при обеих полярностях напряжения на затворе, то есть в режиме обогащения и обеднения канала (рис. 3.8, б);

а) б)

Рис. 3.8. Стокозатворные ВАХ МОП-транзисторов: а  с индуцированным каналом; б  со встроенным каналом

подложка МОП-транзисторов делается из материала с высоким удельным сопротивлением  для облегчения образования канала и увеличения пробивного напряжения переходов стока и истока;

механизм работы МОП-транзисторов с n- и p-каналами одинаков, а принципиальная разница в свойствах дана выше;

сочетание МОП-транзисторов с n- и p-каналами получило название комплементарных пар, или дополняющих транзисторов (рис. 3.9); при таком включении МОП-транзисторы работают в режиме малого потребления мощности, так как при любой полярности входного сигнала один из транзисторов всегда закрыт и в цепи течет лишь ток неосновных носителей.

Рис. 3.9. Комплементарная пара на МОПтранзисторах

3.3.2. Стоковые характеристики и параметры МОП-транзисторов

При отсутствии напряжения на стоке (U_си = 0) тока в канале нет: поле в диэлектрике однородное и поперечное сечение канала одинаково по всей его длине. По мере увеличения U_си увеличивается ток стока, меняется структура канала, так как разность потенциалов между затвором и поверхностью в направлении стока начинает уменьшаться, и тогда, когда она станет равной нулю, сформируется горловина канала. Напряжение на стоке при этом называется напряжением насыщения U_си.н, а ток, соответствующий ему,  током насыщения (I_сн)

. (3.7)

Дальнейшее изменение напряжения на стоке почти не вызывает прироста тока стока. Таким образом, статическая стоковая характеристика МОП-транзистора при любом типе канала, как и у транзистора с управляемым p-n-переходом, состоит из крутого и пологого участков (рис. 3.10, а, б).

а) б)

Рис. 3.10. Стоковые ВАХ МОП-транзистора: а  с индуцированным каналом; б  со встроенным каналом

В пределах крутого участка ток стока является функцией двух напряжений (U_зи и U_си), а на пологих  функцией одного (напряжения на затворе U_зи). Крутые участки статических стоковых ВАХ используются в импульсном режиме, а пологие  в усилительном.

Использование в импульсном режиме крутых участков ВАХ диктуется необходимостью получения возможно малого остаточного напряжения на открытом транзисторе.

При инженерном проектировании усилительных каскадов достаточную точность расчета обеспечивает следующая аппроксимация вольтамперных характеристик:

а) для крутых участков ВАХ, где U_си < U_зи  U_o), ток стока является

функцией двух напряжений:

(3.8)

где b  удельная крутизна МОП-транзистора, мА/В²

где Сo  удельная емкость между металлом и поверхностью полупроводника (затвор-канал), определяет управляющую способность затвора, пФ/мм²

где d  толщина диэлектрика ( d = 0,10,15 мкм).

Ключевые схемы работают на крутых участках ВАХ, то есть при очень малом остаточном напряжении на открытом МОП-транзисторе (порядка
0,1 В и меньше), следовательно, справедливо выражение U_си << (U_зи  U_о), а потому в формуле (3.8) можно пренебречь квадратичным членом, в результате чего она принимает вид

(3.9)

Сопротивление канала

R₀ = 1 / b(U_зи  U₀). (3.10)

Как видно из (3.10) сопротивление канала можно регулировать в широких пределах , изменяя напряжение на затворе.

При U_си > U_син ток стока остается без изменения: I_с = I_сн, поэтому, подставив в формулу (3.10) значение , получим выражение (3.11) для пологих участков ВАХ

б) для пологих участков ВАХ

(3.11)

Из выражения (3.11) можно получить значение крутизны МОП-транзистора

S = b(U_зи  U₀).

За номинальный ток МДП-транзистора принимается ток, соответствующий напряжению на затворе U_зи  2U_o, следовательно S = bU₀

. (3.12)

При номинальном токе через транзистор напряжение насыщения стока U_син = U_о.

Примечание 1. Формулы, описывающие крутые и пологие участки вольт-амперных характеристик МОП-транзистора, справедливы для транзисторов, у которых концентрация примеси не превышает 10¹⁵см^{ 3}. Если оговаривается более высокая концентрация примеси, то необходимо ввести поправочный коэффициент  в формулу (3.9), описывающую крутую часть стоковой ВАХ.

(3.13)

где

_пм  контактная разность потенциалов между полупроводником и металлом; а  коэффициент, характеризующий влияние объемного заряда в подложке,

где N  концентрация примеси.

Как только напряжение на стоке достигнет значения насыщения U_сн, ток стока становится функцией лишь напряжения на затворе

( ) и напряжение насыщения

(3.14)

Следовательно, для пологой части ВАХ при высокой концентрации примеси справедливо выражение

(3.15)

Примечание 2. Проведенный анализ ВАХ МОП-транзистора справедлив для наиболее распространенного режима, когда исток транзистора соединен с подложкой. Если между подложкой и истоком приложено напряжение, то возможно «двойное управление током», так как ток стока становится фактически функцией двух напряжений, и в этом случае в формулу (3.15) необходимо внести соответствующую поправку, которая учитывает возможность двойного управления током

Напряжение между подложкой и истоком U_пи берется по модулю. Как видно из последнего выражения, наличие напряжения между подложкой и истоком равносильно увеличению порогового напряжения.

Преимуществом МОП-транзисторов перед канальными является более высокое быстродействие, что объясняется меньшей длиной его канала.

Недостатком МОП-транзисторов в сравнении с канальными является наличие шумовых флуктуаций и нестабильность характеристик во времени. У канальных транзисторов этот недостаток отсутствует, так как у них канал отделен от поверхности обедненным слоем, что гарантирует отсутствие дефектов кристаллической решетки, загрязнений, поверхностных каналов  все то, что у МОП транзисторов является причиной шумовых флуктуаций и нестабильности характеристик.

Характеристики

Список файлов реферата