Зи - Физика полупроводниковых приборов том 1 (989591), страница 54
Текст из файла (страница 54)
14 профилей легирования передаточные характеристики обладают существенной нелинейностью (линейность возникает лишь при предельных значениях параметров, характеризующих эти распределения). Последнее обстоятельство существенно отличает рассматриваемую модель с полностью насыщенной скоростью от рассмотренной выше модели с постоянной подвижностью, где изменения профиля легирования оказывают пренебрежимо малое влияние на передаточные характеристики. Согласно выражению (53), крутизна транзистора д уменьшается с ростом напряжения на затворе 11о, однако другой важный параметр до,/Соз, характеризующий быстродействие поле- 348 Глава б Рис.
14. Передаточные характеристики для некоторых типичных профилей легироиания 118). б ИО профили легирования (а) н передаточные с плавно нарастающим и однородным г б б1 б~ ДЗ Рт у, м,сы а Рис. 15. Экспериментально измеренные характеристики полевых транзисторов профилем легирования канала (б) 116~, 1тр 88 и 88 48 С б 1 в 8 У 18,Ч д б 349 Палевые транзисторы вого транзистора, остается при этом неизменным, поскольку емкость затвор — исток Са~ —— е,/Й обратно пропорциональна глубине обедненного слоя, т.
е. д /Са~ —— о,Л = сопз1. (54) Из экспериментальных результатов следует, что полевые транзисторы с плавно И6) и ступенчато легированным [17) каналом имеют передаточные характеристики с более высокой степенью линейности. Типичный пример показан на рис. 15. В транзисторе с плавно нарастающим к центру канала профилем легирования крутизна д = 9,5 МОм ' остается постоянной в диапазоне напряжений на затворе О < 1/а < 12 В.
6.3.4. Двумерный анализ В предыдущих разделах мы вывели аналитические соотношения для вольт-амперных характеристик полевых транзисторов с р — и- переходом и МП-транзисторов, используя различные предположения. Однако в приборах с коротким каналом, в особенности при больших напряжениях на стоке, начинают доминировать двумерные эффекты, которые трудно учесть аналитически (181. Соответствующий анализ мы проведем отдельно для кремниевых полевых транзисторов с р — и-переходом и аналогичных приборов на баАз, поскольку зависимости дрейфовой скорости от поля в этих мате.
риалах существенно различаются (рис. 7). Рассмотрим сначала вольт амперные характеристики тонкого слоя кремния п.типа, нанесенного на изолирующую подложку 18) (рис. 16, а). Как уже говорилось выше, прк малых напряжениях на стоке этот кремниевый слой подобен резистору, При больших напряжениях темп увеличения дрейфовой скорости электронов с ростом электрического поля ослабевает, и вольт.амперная характеристика пленки отклоняется вниз от начальной прямой.
При еще больших напряжениях Ув дрейфовая скорость достигает скорости насыщения, что приводит к соответствующему насыщению тока. На рис, 16, б показана модифицированная структура с зайзором между стоком и истоком в виде р — и-перехода или выпрямляющего контакта металл — полупроводник. Здесь обедненная область под затвором действует как слой изолятора, что сокращает область канала, «открытую» для протекания электронного тока. Ширина обедненного слоя определяется величиной приложенных напряжений. При малом напряжении на стоке и затворе, закороченном на исток (рис. 16, б), обедненный слой под .затвором уменьшает поперечное сечение проводящего канала Ь < а.
Следовательно, сопротивление между стоком и затвором увеличивается, 350 Х'лава б йминесний конта нт 2в Иебненный -- — слой 1Иеолирувнаае ~ лойлсонна бс ,' Зев Бее отбора 5е а 1' бу ~4~ ь, $ оо Лас тол ннан конаент~ауие с х( ,хх 4'з 4 вольт-амперные характеристики соотношениях напряжений на Используя закон сохранения полного тока, для любого поперечного сечения канала можно написать Уп = Луп (х) о (х) Ь (х).
(55) Концентрация электронов п(х) равна концентрации легирующей примеси Фп, пока электрическое поле не превышает критического значения Г,. Потенциал вдоль канала увеличивается от нуля на истоке до ~п на стоке. Следовательно, обратное смещение перехода затвор — канал и локальная ширина обедненного слоя также уве- Ф Рнс, 16. Распределение злектрнческого поля н кремниевых МП.транзнсторов прн разлнчных стоке н затворе (81. Ю 1,- Бее валера Це-а с ~веф 5~ Полевые пц~анзисторы личиваются по мере приближения к стоку. Результирующее уменьшение ширины проводящего канала должно быть скомпенсировано соответствующим увеличением продольного электрического поля и дрейфовой скорости электронов, чтобы величина полного тока оставалась неизменной по длине канала.
С увеличением напряжения стока (при некотором У0 =- У0„,) электрическое поле в канале у стока достигает критического значения Ж„ а скорость электронов — скорости насыщения (рис. 16, в)). При этом наименьшая ширина канала у стока достигает минимального значения Ь„ а ток транзистора начинает насыщаться.
При дальнейшем увеличении напряжения стока (Гп ) Гп„~) обедненная область расширяется к стоку (рис. 16, г). Однако точка х„где электроны впервые достигают скорости насыщения, смещается в противоположном направлении (к истоку), падение напряжения между истоком и точкой х, уменьшается, и, следова-. тельно, ширина канала в точке Ь, увеличивается (Ь, Ь,). Поэтому ток инжекции электронов из электронейтральной части канала (х Сх,) в область насыщения дрейфовой скорости (х,(х х~) увеличивается, благодаря чему вольт-амперная характеристика транзистора на участке насыщения (конечное выходное сопротивление) имеет положительный наклон !19). По мере продвижения от точки х, к стоку потенциал в канале растет, ширина обедненной области увеличивается, а проводящий канал сужается.
Но, поскольку скорость электронов в этой области уже не зависит от электрического поля и равна скорости насыщения, для компенсации этого сужения канала и обеспечения сохранения полного тока концентрация электронов здесь увеличивается и становится больше концентрации доноров. Поэтому в соответствии с уравнением (55) в части канала, где Ь с. Ь,, т. е. при х, ( х ( х„аккумулируются электроны, и эта часть канала оказывается отрицательно заряженной. При,х = х„где глубина проводящего канала снова становится равной Ь,, концентрация электронов равна концентрации доноров. Этот отрицательный заряд области канала х, ( х <.
х, компенсируется положительно заряженным слоем х, (х < х, с некоторым дефицитом электронов. Следовательно, часть напряжения стока, избыточная над падает на дипольном слое, который расширяется в стоковой части канала при дальнейшем росте 1'о. Отрицательное напряжение на затворе (рис. 16, д) увеличивает ширину обедненной области и, следовательно, сужает канал, что увеличивает сопротивление на линейном (при малых Гп) участке характеристики транзистора. При этом уменьшается напряжение $'и„,, при котором в наиболее узкой части канала (глубиной Ь, (Ь,) достигается критическое поле д",.
Поэтому при $'0 ) 0 участок насыщения характеристики транзистора начинается при меньших напряжениях и токах, чем при $'д — — — О. При Глава 6 .'о,'~, и,~/си й 1,,В ,Ъ~екюра веское поле Хо г о о л а ЫрейеэоЖ~л скооосп7в элекп7роноо 1 1 ! Прос~прансспоеннв й эарэпУ канале а,~ " йг и ~ -п,г ~ -дй Рис. 17.
Поперечное сечение канала и распределения поля, дрейфовой скорости и концентрации электронов по длине канала в МП-транзисторе из баАз в режиме насыщения [81. даЛЬНЕйШЕМ УВЕЛИЧЕНИИ НаПряжЕНИя СтОКа оп ~ оп,а1 у СтОКО- ного края затвора также образуется дипольный слой (рис. 16, е), обеспечивающий непрерывность полного тока в канале. Особенности поведения полевых транзисторов из баАз, где зависимость дрейфовой скорости от электрического поля более сложная, чем в кремнии, иллюстрируют графики, приведенные на рис.
17 18, 20). Здесь также наиболее узкая часть канала расположена у стокового края затвора. Дрейфовая скорость электронов достигает максимального значения в точках х, и х, и имеет некоторый провал в промежутке между нимИ. Поэтому в полевых транзисторах из баАз эффект аккумуляции электронов в узкой части канала более ярко выражен, чем в кремнии, Для компенсации отрицательного заряда в области х, с х с х, за этой областью, 353 Полевые транвисторы Чр О 1Мкм 1мкм С .т Рис. 18. Повышение стационарной дрейфовой скорости в области высоких полей (В') д'Р) под затвором 181.
ближе к стоку 1х, (х (ха), образуется положительно заряженный слой, обедненный электронами. Его заряд примерно равен отрицательному заряду в области аккумуляции, и на этом стационарном дипольном слое обычно падает большая часть стокового напряжения. В приборах с очень короткими каналами возможна такая ситуация, когда электроны настолько быстро пролетают область Глава 6 Л 1 5 б 7 р~, ю Рис. 19. Вольт-амперные характеристики кремниевых МП-транзисторов и из баАз с длиной канала 1 н 0,5 мкм 1221.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
