Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Эта емкость имеет вид (4.1) Со — — эовяг'сг, где сз — толщина диэлектрика; э — его диэлектрическая проницаемость. Уменьшение величины сз желательно, но ограничено пробоем диэлектрика. Типичные значения толщины двуокиси кремния составляют Ы = 0,01 — 0,1 мкм. Если положить с( = 0,03 мкм, е„= 3,9 (для В10 ), то С = 1000 Ф/~ьтз. Пороговое напряжение Уо можно разделить на две составляющие (рис. 4.4)1. (4.2) По = Пор + Пов. Составляющая Пор — это напряжение спрямления зон; оно сводит к нулю равновесный поверхностный потенциал у,о, т.е. 1 На зонной диаграмме положительные значения электрических потенциалов откладываются вниз.
Глава 4. Уииполяриые траивисторы 104 М Д Полупроводвик ликвидирует начальное искривление зон (ср. кривые 1 и Зона проводямсстп и. и р .. е.е е.о г ес Ж ~1 ривление принято противопои;о е„=о ложным тому, которое необходимо для образования канала. Составляющая Уев — это е велелтявя зона иапрязгение изгиба зон: оно иое l обеспечивает изгиб зон в егорова о ну, необходимую для образоваКвпел Обедиеппмй слой ния канала (кривая 3) и создает поверхностный потенциал Рис. 4.4.
Зоииые диаграммы Ыдп-трапез«тора при напряжениях феи е при котОРОм уровень элекот О до и, тростатического потенциала пересекает уровень Ферми. Таким образом, напряжение Пор характеризует «подготовленность» полупроводника к образованию канала; если ое,о =О, то и й/ор —— О, а если равновесные зоны искривлены вниз, то Уел < О. Что касается напряжения Уоз, то оно определяет значение порогового напряжения в «идеальных» условиях, когда поверхностный потенциал равен нулю.
Напряжение Уор выражается следующим образом: (4. За) е/ор = егмз ««еое/Со. а (/ОВ = срем ' т(сйет с (4.36) где а = т(2е1зоз 1» (4.4) — коэффициент, характеризующий влияние объемного заряда в подложке (з, — диэлектрическая проницаемость полупровод- ника; г( — концентрация примеси). где Яов — равновесный удельный заряд поверхности, включающий в себя заряд поверхностных состояний и заряд, обусловленный ионами примесей в диэлектрике; срмз — контактная разность потенциалов между металлом и диэлектриком. Величина 9ов получается экспериментально и составляет обычно 5 10 — 5 10 Кл/смг.
Напряжение Уов выражается следующим образом: 4.2. МДП-транзисторы 10б Обычно полагают ~Р, = 21Ре, гДе <Є— моДУль Разности между уровнем Ферми и уровнем электростатического потеыциала в объеме полупроводника (рис. 4.4). Например, если зт' =10 1б смз, то <ре =0,3 В и, значит, д, =0,6 В; согласно (4.4) аи5.10 Ф В) см . Полагая Со — — 10 Ф/смз (см. выше), из (4.3б) получаем: Уев о 1,0 В. Практически значения полного порогового напряжения лежат в пределах Уо = 0,5-1,5 В. Статические характеристики. Рассмотрим влияние тока на структуру канала. Если ыапряжение Ус„= О, то поверхность полупроводника эквипотенциальна, поле в диэлектрике однородное и толщина образовавшегося канала Ь одинакова на всем протяжении (рис. 4.5, а).
Если же Усн > О, то протекает ток и потенциал поверхности возрастает от истока к стоку. Значит, разность потенциалов между затвором и поверхностью в направлении стока уменьшается. Соответственыо уменьшаются напряженность поля в диэлектрике и удельный заряд электронов в канале.
Поэтому сечеыие канала вблизи точки х = Л сужается (рис. 4.5, б). 6) а) Рис 4.б. Распределение поля н зарядов в МДП-транзисторе при нулевом (а) и наибольшем положительном (б) запряженная на стоке При некотором критическом напряжении на стоке, которое называют напряжением наем»ценил, разность потенциалов между затвором и поверхностью в точке х = Х делается равной пороговому ыапряжеыию. Образуется так называемая егорловнна» канала (рис.
4.6, а). Напряжение насыщения имеет вид Глава 4. Уинполяриые тракзнсторы 106 При напряжениях У,„>У,„слой объемного заряда, который до сих пор отделялся от поверхности каналом, «выходит на поверхность» на участке АЕ„а «горловина» канала соответственно сдвигается в точку Ь' (рис. 4.6, б)'. Вследствие этого происходит укорочение канала на величину Аз; потенциал «горловины» в точке Ь' сохраняет значение У,„, которое было в начале насыщения.
б) а) Рнс 4.6. Распределение поля н зарядов в МДП-транзисторе: а — на грани- це насыщения (У,„= У,.); б — в области насыщения (У„> У,„) Величина М (приповерхностная ширина объемного заряда) зависит от разности напряжений на этом участке Уал — У,„. Зависимость эта такая же, как зависимость ширины р — п-переход б» р: «з — Е,„-с„. После образования «горловины» канала ток в рабочей цепи практически перестает зависеть от напряжения на стоке — наступает насыщение тока (рис.
4.7, а), откуда и название напряжения У,„. Анализ, выполненный с учетом описанных процессов, приводит к выражению для ВАХ, которое неудобно для инженерных расчетов (из-за наличия членов в степени 3/2). Поэтому на практике пользуются аппроксимациями ВАХ, из которых наиболее простой и распространенной является следующая: 1, =Ь((У,„-У,)У,„-),У,1„1.
(4.б) 1 Процессы образования «горловины» канала н ее сдвига лрасиатризаются го- раздо яснее в нолевых транзисторах, где канал несравненно толще (рис. 4.13) 4,2. МДП-транаисторы ~еег гг у,„ По б) а) Рнс. 4.7. Статические характеристики МДП-траненстора: а — выходные; б — иередаточные Здесь Ь вЂ” удельная крутизна МДП-транзистора (один из его основных параметров): 2 сз„ г Ь=рС, — = 1 г( 7 (4.7) где р — приповерхностная подвижность носителей (она обычно в 2-3 раза меньше объемной); Š— ширина канала.
При значениях р =550 смз/ (В с), Я/7. = 10 и Со = 10 т Ф/смз получаем типичное значение Ь =0,5 мА/Вг. Выражение (4.6) действительно только при условии Уев < У,„, т.е., как говорят, на начальных — крутых участках ВАХ (см. Рис. 4.7,а). Если же У,„> У„, то ток не меняется и остается равным тому значению, которое он имеет при У,„= У,„. Поэтому, подставляя (4.5) в (4.6), получаем выражение для области насыщения, т.е. для пологих участков ВАХ: ~с ~2 Ь(Уеи УО ) (4.8) Этому выражению соответствует на рис 4.7,б кривая с параметРом Уса ° Обычно номинальных током МДП-транзистора считается ток при напряжении У,„=2Уо, т.е.
2 7еаои =У2ЬУо (4.9) 106 Глава 4. Уннпояяриые транзисторы Как видим„чем меньше пороговое напряжение, тем меньше рабочий ток. Номинальному режиму, т.е. значению У,„= 2Ус, согласно (4.5) соответствует напряжение насыщения Ус„=(/с. Следовательно, малые значения Уо обеспечивают и малые токи, и малые рабочие напряжения транзистора.
Выражения (4.6) и (4.8) имеют широкое распространение благодаря своей простоте и наглядности. Однако они дают значительную погрешность прн расчетах, если концентрация примеси в подложке пре- 15 -3 вышает 10 см, что обычно имеет место. Поэтому в тех случаях, когда это необходимо, вместо (4.6) пользуются более точной аппроксимацией: ~э Ь((~эв ~'е)~эв з(1+ Ч)~эв) (4.10) где поправочный коэффициент г) имеет нид 1 э!с, "=ЗД„' (4.11) Например, если а/Со = О,б Вз и (как было выше) н Е, = 0,6 В, то э) л 0,22.
Дифференцируя (4.10) по Уэв и полагая Ы,/ЙУ, = О, находим напряжение насыщения: Пэв = (Пэв — По). 1 1+ э) (4.12) Оно оказывается меньше, чем прн расчете по (4.5). Подставляя (4.12) в (4.10), получаем уточненную ВАХ для пологой области — области насыщения ~э ((/эв (/е) ' 1 Ь з 21+и (4. 13) 1 Положительное напряжение на подложке (в случае л-канального транзистора) недопустимо, так как яри етом р-л-переход истока будет работать в прямом включении и будет иметь место инжекция электронов в подложку, т.е. нарушится принцип работы униполярных транзисторов. До сих пор считалось, что исток соединен с подложкой.
Бывают случаи, когда подложка имеет отрицательный потенциал Упе относительно истока (например, в интегральных схемах, у которых подложка общая для всех транзисторов)~. Тогда напряжение, падающее на слое объемного заряда, увеличивается, 4.2. МДП.транзисторы ЬОВ и это приводит к поправке в выражении (4.36) для напряжения изгиба зон: ' — Й 'Ф1 Со (4. 14) — ((1 -(1о --ВФ 1) . 1 Ь 2 с 31 зи 3 (4. 15) Как видим, наличие напряжения между подложкой и истоком равносильно увеличению порогового напряжения. В заключение рассмотрим начальные крутые участки ВАХ, которые широко используются в ключевых (импульсных) схемах. Полагая ~сн ~~ ~зн ~О можно пренебречь квадратичным членом в выражении (4.6) и получить линейную зависимость 1, =б(У,„-Уо)У (4.
16) Соответствующее семейство ВАХ показано на рис. 4.8. Коэффициент при Усн в правой части (4.16) называется проводимостью канала, а обратная величина — еопротивлени ем канала: 1,0 О,Ь 1 лзо =, (у ) (4.17) 0 05 У,„,В Как видим, сопротивление канала можно регулировать в широких пределах, меняя напряжение на затворе. Такая возможность используется Рис. 4.8. Начальные кеазилинеаные участки выходных характеристик МДН-транзистора При этом напряжение У,„, естественно, войдет и в выражение (4.8). Соответственно ток 1„вообще говоря, будет функцией двух напряжений. "У,„и У „, т.е.
возможно двойное управление током. С учетом влияния подложки характеристику (4.13) можно заменить следующей: ые Глава 4. э'нивелирные транаисторы на практике. Если положить У,„— Уо = 4 В и Ь 0,5 мА/Вз„то Яс 0,5 кОм. Малосигнальные параметрьь В усилительной технике используются пологие участки ВАХ вЂ” область насыщения. Этой области свойственны наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. Малосигнальными параметрами МДП-транзистора являются: Ы, ~ крутизна Я = ЙУ в 1о.,=совзз 4У,„~ внутреннее сопротивление г, = — '" ~ СЭ Г ~ 0', савзэ 8У,„)' коэффициент усиления' Ф = с(У д = ссыз за Эти три параметра связаны соотношением (4.18) Ь =Ягс.
Крутизна в области насыщения легко определяется из выражения (4.8): (4. 19а) Ь(Узэ УО )' Как видим, крутизна пропорциональна параметру Ь. Название последнего (удельная крутизна) обусловлено тем, что при У,в — Уо — — 1 В величина Ь численно равна крутизне. С помощью выражений (4.19а) и (4.8) легко установить связь крутизны с рабочим током: Я = ~2Ь1,. (4. 196) Например, при Ь = 0,5 мА/В иЕ, = 1 мА получаем: Я = 1,0 мА/В. Если использовать более точную формулу (4.13), то крутизна будет меньше, чем при расчете по формулам (4.19), поскольку величина Ь заменяется на Ь/(т) + 1). Внутреннее сопротивление на пологом участке ВАХ обусловлено зависимостью длины канала от стокового напряжения 1 Обычно коэффициент усиления электронных приборов обозначают через р, но зто обозначение в теории МДП-транзисторов совпадает с обозначением подвижности, и мы его избегаем. 4.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
