Гусев - Электроника (944138), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Пусть в качестве исходного материала транзистора использован кремний, имеющий электропроводность и-типа. Роль диэлектрической пленки выполняет диоксид кремния В102*. При отсутствии смещения 1~' „=0; 1т' „=-0; 1ттш=О) приповерхностный слой полупроводника обычно обогащен электронами грие. 2.42,а). Это объясняется наличием положительно заряженных ионов в пленке диэлектрика, что является следствием предшествукушего окисления кремния и фотолитографической его обработки, а также присутствием ловушек на границе В1 -ЯО .
Напомним, что ловушки представляют собой совокупность энергетических уровней. расположенных глубоко в запрещенной зоне, близко к ее середине. При подаче на затвор отрицательного напряжения ахун электроны приповерхностного слоя отталкиваются в глубь полупроводника, а дырки движутся к поверхности. Приповерхносгный слой приобретает дырочную электропроводность 1рис. 2.42, 6), В нем появляется тонкий инверсный слой, соединяющий сток с истоком. Этот слой играет роль канала.
Если между истоком и стоком приложено напряжение, то дырки, перемешаясь по каналу, создают ток стока. Путем изменения напряжения на затворе можно расширять или сужать канал и тем самым увеличивать или уменьшать ток стока, * транзисторы. у которых дизлектриком является оксид (диоксин кремния). называют МО11-транзисторами 1металл оксил-полупроводник) Напряжение на затворе, при котором индуцируется канал. называют п о р о| о в ы м н а п р я ж е н и е м ~/зи „,„. Так как канал возникает постепенно, по мере увеличения напряжения на затворе, то для исклкэчения неоднозначности в ег'о определении обычно задается определенное значение тока стока, при превышении которо~ о считается, что потенциал затвора достиг порогового напряжения Г,и,„,.
По мере удаления оз поверхности полупроводника концентрация индупированных дырок уменыпается. На расстоянии, приблизительно равном толщине канала, электропроводность становится собственной. Затем идет участок, обедненный основными носителями заряда (р-и-переход~. Ьлагодаря ему сток, исток и канал изолированы от подложки; р-и-переход смещен приложенным напряжением в обратном направлении. Очевидно, что его ширину и ширину канала можно изменять за счет подачи на подложку дополнительного напряжения относительно электродов стока и истока транзистора. Следовательно, током стока можно управлять не только путем изменения напряжения на затворе, но и за счет изменения напряжения на подложке.
В этом случае управление МДП-транзистором аналогично управлению полевым транзистором с управляющим р-л-переходом. Для образования канала на затвор должно быть подано напряжение, большее Г, „„„. Толщина ийверсного слоя значительно меньше толщины обедненного слоя. Если последний составляет сотни — тысячи нм. то толщина индуцированного канала составляет все1о 1 .-5 нм. Другими словами, дырки индуцированного канала «прижаты» к поверхности полупроводника, поэтому структура и свойства границы полупроводник -- диэлектрик играют в МДП-транзисторах очень важную роль.
Дырки„образующие канал. поступают в него не только из подложки л-типа, где их мало и генерируются они сравнительно медленно, но также и из слоев р-типа истока и стока, где их концентрация практически неограниченна„ а напряженность поля вблизи этих электродов достаточно велика. В транзисторах с встроенным каналом ток в цепи стока буде~ протекать и при нулевом напряжении на затворе.
Для прекращения его необходимо к затвору приложить положительное напряжение (при структуре с каналом р-типа), равное или большее напряжения отсечки ~.',и„„.. При этом дырки из инверсного слоя будут практически полностью вытеснены в глубь полупроводника и канал исчезнет. При приложении отрицательного напряжения канал расширяется и ток увеличивается. Таким образом. МДП-транзисторы с встроенными каналами работают как в режиме обеднения, ~ак и в режиме обогащения. 5 замп М.
п)бь )с 1с И ГГ Г и и асинас) асииасььхасинраа аси синае синае 6 и а оси нас бсинас а) Рис. 2.43. Структура МДП-транзистора с измененной шириной канала при протекании гока )с (а); его выходные характеристики с индуцироаанным (гт] и астроенным (а) каналами: Г хрг~ья абньс ь. П ., б... Г «,, и. ПГ ныли~и нрабнк ! !тО Как и полевые транзисторы с управляющим рыыпереходом, МДП-транзисторы при малых напряжениях 11 и (в области 1; рис.
2.43, б, в) ведут себя подобно линеаризованному управляемому сопротивлению. При увеличении напряжения С~си ширина канала уменьпшется вследствие падения на нем напряжения и изменения резулыирующего электрического поля. Это особенно сильно проявляется в ь ой части канала, которая находится вблизи ст ока (рис. 2.43, а). Перепады напряжения, создаваемые ~оком 1, приволят к неравномерному распределению напряженности электрического поля вдоль канала, причем оно увеличивается по мере приближения к стоку.
При напряжении 1~си„,е канал вблизи стока становится настолько узким, что наступает динамическое равновесие, когда увеличение напряжения 1/си вызьгвает уменьшение ширины канала и повышение его сопротивления. В итоге ток 1. мало меняется при дальнейшем увеличении напряжения 11 „. Эти процессы изменения ширины канала в зависимости от ггапряжения 11 и такие же, как и в полевых транзисторах с управляющим р-л-переходом. Выходные характеристики МДП-транзисторов аналогичны харакьерисгикам полевых ьранзисгоров с управлиющим )хи-иерсходом (рис.
2.43, 6, в). В них можно выделить крутую и пологую области. а также область пробоя. В крутой области 1 МДП-транзистор может работать как электрически управляемое сопротивление. Пологая область П обычно используется при построении усилительных каскадов. Аналитические аппроксимации вольт-амперных характеристик МДП-транзисторов не очень удобны и мало применяю'ься в инженерной практике. При ориентировочных оценках тока сьока в области насыщения можно использовать уравнс~ьис ° %У (2.79) (с где 5„л= —— т ()зи' ( си Для транзисторов с встроенным каналом можно использовать уравнения (2.79), если Гзи„р заменить (/,,„с и учитывать знаки напряжений (/,„ и (/з!)„, Управляющее действие подложки можно учесть путем введения коэффициента влияния по подложке т) = ! =хенк! р Ьзи Е(с 5п (2.80) е тс ' ('пн 77ля=а т — з с, Я вЂ” о) с 7)и Рис.
2.44. Выхолные характеристики МДП-транзистора при различных напряжениях на попложкс и !(I „' > )(з „"„н! (а); стокозатворные характеристики МДП-транзисторов с инл)царованным и тсхнолозическим встроенными кана ~ами (6) н при разных напряжениях на ползожке (Ген —— сопя!) (е), тпрощенныс зквнвалснппле схемы МДП-~ранзис~ора (с. 4) !3! с!с где 5п = — — - крутизна характеристики по подложке, т (' 'пи ).=.сопи кот'орая показывает, ца сколько следовало бы изменить напряжение на затво)ж, чтобы пРи изменении напРЯжениЯ подложки (тпи ток стока 7с остался неизменным.
Тогда при одновременном действии напряжений на затворе и подложке в выражения (2.79) (2.80) вместо ()ЗИ СЛСДУЕт ПОДСтаВЛЯ~Ь (7ЗИзф (()ЗИ ф ()ЗИ т) (7ПИ) При использовании подложки в качестве управляющего электрода целесообразно рассматривать выходные характеристики, специально определенные при разных напряжениях на подложке (рис.
2.44, а), Иногда снимают стокозатворные характеристики, которые наглядно показываю г влияние на ток стока напряжений Г и и Гпи (рис. 2.44,6, в). Из рис. 2.44 видно, что пороговое напряжение Гзи„„, существенно зависит от напряжения на подложке. Инерционные свойства МДП-транзисторов зависят от скорости движения носителей заряда в канале, межэлектродных емкостей Ссги Сп„, Спс (рис. 2.44, г) и значений сопротивлений, через которые эти емкости заряжаются, При этом ввиду малого времени пробега носителей заряда через канал, который обычно имеет длину О,! — 5 мкм, влиянием последнего обычно пренебрегают.
Значения емкостей, входящих в эквивалентную схему рис. 2. 44, г, не всегда известны. К т ому же часть из них меняется в зависимости от напряжений на электродах, например Сп, Спи. Поэтому на практике часто измеряют входную емкость с общим истоком С„„, выходную С„" и проходную С„„. Они характеризуют параметры полевого транзистора, который при заданном режиме измерения представлен эквивалентной схемой рис. 2.44, д, Она хуже отражает особенности транзистора, но ее параметры известны или легко могут быть измерены (входная емкость С„„! —:5 пФ, проходная емкость С,з„=0,22 пФ, выходная емкость С~з„=2 —:6 пФ).
Операторное уравнение крутизны характеристики МДП- транзисторов имеет тот же вид, что и для полевых транзисторов с управляющим р-л-переходом (2.77). При этом постоянная времени тз Сз Я„Сз Я,„„„. В типовом случае при длине канала 5 мкм предельная частота, на которой крутизна характеристики уменыпается в 0,7 раза, /=взЯ2к)= ! (2ктз) лежит в пределах нескольких сотен мегагерц. Температурная зависимость порогового напряжения и напряжения о~сечки обусловлена изменением положения уровня Ферми, изменением обьемного заряда в обедненной области и влиянием температуры на значение заряда в диэлектрике. У МДП-транзисторов также можно найти термостабильную рабочую точку, в которой ~ок стока мало зависит от температуры.
У разных транзисторов значение тока стока в термостабильной точке находится в пределах 1с = 0,05 —: —;0,5 мА. Важным преимуществом МДП-транзисторов перед биполярными является малое падение напряжения на них при коммутации малых сигналов. Так, если в биполярных транзисторах в режиме насыщения напряжение бака принципиально не может быть меньше нескольких десятков --сотен мВ, то у МДП-транзисторов при малых токах 1 это падение напряжения, когда транзистор работает в крутой области, мало и определяется током 1 и сопротивлением хапала Я,„ „„: (уси = 7с )' ° пр" !('си! < ! (7си Огзи =2)СЛ Ьии ' 2)гх пг, г'гн (гги, =а)„л д) г) а) При уменьшении 1 оно может быть сведено до значения, стремящегося к нулю.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
