Зи - Физика полупроводниковых приборов том 1 (989591), страница 51
Текст из файла (страница 51)
Впоследствии они учли влияние полевой зависимости подвижности на характеристики полевого транзистора с р — и-переходом 13). Полевой транзистор типа металл — полупроводник (МП-тран,зистор) был предложен в 1966 г. 14), а затем был изготовлен на баАз, эпитаксиально выращенном на полуизолирующей баАз- подложке 15). Принцип действия МП-транзистора идентичен принципу работы полевого транзистора с р — и.переходом в качестве затвора.
Различие состоит лишь в том, что в МП-транзисторе в качестве затвора использован выпрямляющий контакт металл — полупроводник (вместо р-и перехода). МП.транзисторы обладают технологическими и некоторыми другими достоинствами, Так, например, при изготовлении МП.транзисторов используются сравнительно низкотемпературные технологические процессы, в то время как для создания полевого транзистора с р-и пере. ходом требуется высокотемпературная диффузия.
Отметим также малое сопротивление и малое падение напряжения вдоль канала МП-транзистора. Кроме того, в МП транзисторах оказываются допустимыми более высокие уровни рассеиваемой мощности (металлический затвор является хорошим теплоотводом). Однако полевые транзисторы с р — и-переходом допускают применение некоторых специфических затворных структур (таких, как гетеропереходы, затворы с буферным слоем и т.
д.) для улучшения высокочастотных характеристик. На рис, 1 показано «генеалогическое» дерево полевых транзисторов. Кроме рассматриваемых в настоящей главе полевых ' В англоязычной литературе зти приборы называются — 1нпс!)оп !!е!ч-, е1!ест )гапз)з)ог (.)РЕТ) и гнезда! — зепнсопг)нс)ог !)е! б-е!!ес! !гапзЖог (МЕЛЕЕТ).— Прин. перев. 326 Глава б 03нол ана,ть иый 5т' многолональнтый С 1'- канадкой ро,тедьте и ранэисптары с р -и-пеоеходом 'д ка «есптде эаптд ра йиататуэиаииый 0а Я5 дпи гаксиальиый С гептераперегодом 5т' паледьте ггранэиспторты гпипа мептал-полу проводник 0дноэа отдерный ЙР Я5 Лдугэаптдориьтй С черед тданием мнагаэлеменпт- иьта патока и истттал.а 1пР Гептера- сптпуклтуоы и — канальные р — канало ньте Юьтсоколанесгдеи С ддойипй диута уэией С дпукраптиси имплаиптаиией С У- канадками 7и па кремний ,иа иэо литере (сапфитое) долеоьте птйаиэис- птпры пти- па мептплл- окисел- полулро— ' Родник Рис.
1. «Генеалогическое» дерево полевых транзисторов, транзисторов с р-и" переходом и МП-транзисторов к этому классу приборов относятся и МОП-транзисторы (металл-окисел — полупроводник), свойства которых рассмотрены в гл. 8. В настоя= щее время относящиеся к этим трем классам полевых транзисторов разнообразные приборы на всевозможных полупроводниковых материалах довольно хорошо изучены. Для более подробного ознакомления с рабочими характеристиками, шумовыми свойствами и СВЧ.модификациями полевых транзисторов можно рекомендовать работы [6 — 8).
Полевые транзисторы обладают достоинствами при их использовании в аналоговых переключателях, усилителях с высокоомным входом, СВЧ-усилителях и интегральных схемах, Они имеют существенно более высокое входное сопротивление, чем биполярные транзисторы, что облегчает их сопряжение со стандартными СВЧ-устройствами. В области высоких токов полевые транзисторы имеют отрицательный температурный коэффициент, т. е.
ток в данных приборах уменьшается с повышением температуры. Благодаря этому возникает более однородное распределение температуры пО площади прибора и снижается вероятность развития 327 77олевые транзистоРы или вто ичного пробоя, характерного для биполярных транзистор то ов. Высокая термоста ильно б й активной площадью канал, а в полевых р р й акт т анзисто ах с ольшой акт а также в схемах, в которых ольшое и скол вые транзисторы являются уничено параллельно.
Поскол у вые р скольк полевые р и п ибо ами, они не чувствительны к э кт том имеют более высокие гра- К оме того пос ь у о телей, и поэтому им ничные частоты и р ско ости переключения. р л кейны либо квадрахарактеристики полевых транзисторов лин " ) азываются значительно а не экспоненциальны), они ока тичны (а н пе екрестным наводкам, чем биполярменее чувствительными к перекрес н ные транзисторы. 6.2.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИБОРОВ сто с — и-переходом в качестве затвора пока- б " ий канал зан на рис. 2. р '. 2. Он п едставляет со он пров стоком. Когда на сток по- контактами — стоком и исток яжение $'~ относительно истока элекдано положительное напряжение о . Третий электрод троны в канале перемещают я тся от истока к стоку. ю ий — и-переход ы — затво — образует выпрямляющии р —- структуры — затвор— р ле тие канала будет изменяться с каналом. Очевидн , о что сопротивлени распространяющихся с изменением толщи ны обедненных слоев, а й транзистор представ- в канал, поэтому рассматриваемый полевои т ЗатЯ~ р-типа Сток Ис — ехо. ом в качестве затвора (модель Рис. 2. Полевой транзистор с р — а-переходом Шокли) (23. 328 Глава 6 ляет собой резистор, управляемый напряжением на затворе.
На рис. 2 указаны также основные размеры, характеризующие эту структуру: длина канала (или длина затвора) Е, его ширина Л и глубина а. Кроме того, показаны локальная ширина обедненного слоя Ь и соответствующая локальная глубина проводящего канала Ь. Полярность приложенных напряжений соответствует рассматриваемому и-канальному полевому транзистору.
Для р-канального прибора полярность питающих напряжений должна быть противоположной. Обычно исток полевого транзистора заземляют и напряжения затвора и стока отсчитывают по отношению к заземленному истоку. В отсутствие напряжений смещения (Уп —— - Рт~ = 0) прибор находится в термодинамическом равновесии, и все токи равны нулю. При фиксированном напряжении смещения на затворе )1п (нулевом или отрицательном) ток канала увеличивается с ростом напряжения на стоке Ро до тех пор, пока при некотором сравнительно большом напряжении 1'„= ~о„т не происходит насыщения тока 1о = 1о„т. Типичные вольт-амперные характеристики полевого транзистора с р — и-переходом приведены на рис.
3. На этих характеристиках следует различать три области: линейную (при малых напряжениях на стоке), где ток стока 1о пропорционален Ь'д, область насыщения, где ток стока 1О = 1о„т не зависит от напряжения стока; область пробоя, где ток стока стремительно увеличивается для сравнительно небольших приращений напряжения Л$'и.
При увеличении отрицательного на- ю хаг Ьааг Ь~аат Рис, 3, Вольт-ампернме характеристики полевого транзистора с р — и-переходом. Полевые транзисторы У,0 0В 0,б 01 а 0,Г 0,.г 0,0 0,8 !0 1б бд Рис. 4. Передаточные характеристики длинноканалыгого полевого транзистора для двух предельных распределений легирующей примеси в канале. На вставке показано поперечное сечение верхней половины прибора (уд и уа — ширина обедненного слоя у истока и стока, н — локальная толщина обедненного слоя) [9, 101. пряжения смещения на затворе Уо ток насыщения (дд„д и напряжение, соответствующее началу насыщения Усд „д, уменьшаются, Это обусловлено понижением начальной глубины проводящего канала, что в свою очередь приводит к большему начальному (при Удд = 0) сопротивлению канала транзистора.
Проведем теперь анализ вольт-амперных характеристик длинноканального (Ь ~) а) полевого транзистора с р' — п-переходом, воспользовавшись при этом следующими предположениями: 1) приближением плавного канала; 2) приближением резкого края обедненного слоя; 3) независимостью подвижности носителей тока от электрического поля. Более общий анализ, включающий короткоканальные и двумерные. эффекты, проведен в разд. 6.3.
Учитывая симметрию прибора (рис. 2), рассмотрим только верхнюю половину полевого транзистора (рис. 4, вставка). Глава б 6.2.1. Однородно легированный канал Приближение плавного канала состоит в том, что для распределения потенциала в обедненном слое можно записать одномерное уравнение Пуассона д~У дд'~ р (у) Йу~ ду е, которое для однородно легированного канала в приближении резкой границы обедйенного слоя имеет вид УУ дУп (1а) ф~ 8, Воспользовавшись дифференциальным законом Ома, для плотности тока У„в проводящем канале запишем ,7„= о(х) Р„.
(5) Для случая однородного легирования имеем У„= дФ,уР„. (5а) Здесь о~,~ — проводимость, р — подвижность электронов, которая предполагается не зависящей от электрического поля, а Ж„ = = — ФУ/дх — продольное электрическое поле в канале, Полный Здесь д„— поперечное электрическое поле (в направлении у). Отсюда для локальной ширины обедненного слоя Ь находим /г = (2зз(К(х) + Ра+ Чь~)/дМв)'/' (2) где Уь; — встроенный потенциал р' — и-перехода (контактная разность потенциалов), равный (ЙТ/д) 1п (Уо/л;), а $' (х)— локальное значение потенциала в сечении проводящего канала на расстоянии х от истока. Отметим, что в п-канальных приборах напряжение на затворе отрицательно по отношению к истоку, так что Уа в выражении (2) и последующих выражениях обозначает абсолютное значение напряжения на затворе.
В соответствии с формулой (2) ширина обедненного слоя на границах канала (у стока и истока) определяется выражением у, = 12за (11а + Уь~)/дЛ/О1'~' при х = О, уа = 12зв(Гв+ ~а+ Уь1)/~д/1г,7" при х =1.. (3) Когда величина у, становится равной а, происходит смыкание обедненных областей от верхнего и нижнего затвора у стока (отсечка канала). Из этого условия для напряжения отсечки канала (начало области насыщения) получим Ур — — ~(у.„, = а) = дИ~аЧ2з,. Полевые транзисторы ток в рассматриваемой верхней половине канала определяется выражением !р = дв,!! ( — ") (а — Й) е (6) или !г! Их = Я1х!/Мр (а — Ь) д1!. (ба) Выразив с помощью соотношения (2) дифференциал напряжения сй'. сФ'= ч о 6~И, (7) ев после интегрирования выражения (Ба) от х = О до х = Ь получим !! ! /!з — — — ) груИо (а — Й) Й !й = 1 Ф/о ев (1О) (11) или 7в = /г (ЗУпД/т, — 2 [(1/и + $~о+ '!/ь~) з!2 — (1.
+ ~ )"'1У"'1. (11а) При фиксированном напряжении на затворе Ро максимальное значение тока (ток насыщения 10„~) соответствует отсечке канала. Подставив в выражение (11) и, = 1 (уз = а), получим /о .1=!р(1 — Зй!+2и~~) = .—,=! [! — 3( а!;!'"')+2(!а~ ' )'Ф] ~!2) Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с р — ппереходом, рассчитанные по формуле (11а), приведены на рис. 3.
я~р з Ь2 95) г Ь2 У~)] Обозначим множитель перед квадратной скобкой символом 1р —— - Хрс/ Моа /бе / (9) и назовем его током отсечки канала. Введя безразмерные длины и = Ыа =- [(У+- 1~а + Чь!)УМ/', и~ == У1/а = [(~'а+ ~'ь!)/Ю'/', и2 — У /а 1(1! + ! о + ~~ь )РР] /~ выражение (8) запишем в виде 1о = /р '1 3 (и, '— й) — 2 (и, '— и',)1, Величина тока насыщения Уа„> на этих графиках определяется выражением (12), а напряжение, соответствующее началу насыщения: аМваа Кт ~ Мо~ >'г> ф — > я > а > с — '>>а 1п (1~) аа 2аа П, У~ = У'в+ Уа, (14) или 1~в= 1 в — "а Как уже говорилось выше, Уа обозначает абсолютную величину отрицательного напряжения на затворе, Если 1~а — — О, лавинный пробой происходит при напряжении на стоке, равном )~в.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
