Материал: Kont_v_Str-PP_ME_1

где U(x) – разность потенциалов между затвором и токовым каналом, которая возрастает от истокового конца затвора к стоковому, а следовательно, и глубина обеднения увеличивается от истока к стоку. Наклоненная таким образом граница канала показана на рис. 5.4, а. Такая зависимость скорости отнапряженно-

сти поля существует до (рис. 5.4, е). В этом диапазоне полей канал

ПТШ электронейтрален, а n ND , что показано на рис. 5.4, г кривой 1. При дальнейшем увеличении напряжения исток–сток (точка 2 на рис. 5.4, д) обедненная область W расширяется к стоку (рис. 5.4, а, кривая 2). Увеличение W вызывает уменьшение площади поперечного сечения канала, что приводит к увеличению напряженности поля больше критической (см. рис. 5.4, б, кривая 2).

Увеличение W вызывает уменьшение площади поперечного сечения канала, что приводит к увеличению напряженности поля больше критической (см. рис. 5.4, б, кривая 2). При возрастании напряженности поля выше критической скорость электронов падает (см. рис. 5.4, б, е) и достигает при значи-

тельных напряженностях поля скорости насыщения S . Поскольку скорость электронов падает, для компенсации сужения канала и обеспечения сохране-

ния полного тока ( I Sqn ) концентрация электронов должна увеличиваться.

Концентрация доноров становится больше (см. рис. 5.4, г, кривая 2), поэтому происходит накопление электронов и канал оказывается отрицательно заряженным. Этот отрицательный заряд компенсируется положительно заряженным слоем.

Задача 5.13. Рассчитайте и постройте ВАХ ПТШ ID f (U D ) для следу-

ющих напряжений на затворе: а) UG 0,5UP ; б) UG 0,25UP ; в) UG 0,1U P.

Параметры структуры транзистора выберите следующие: ND = 1,81·1017 см–3;

U Bi = 0,76 В; ширина канала Z = 20 мкм; напряжение перекрытия U P = 1,8 В;

длина затвора L = 1,3 мкм; = 0,3 м2/(В·c).

Задача 5.14. Используя данные задачи 5.13, рассчитайте ВАХ и крутизну ПТШ с учетом последовательного сопротивления областей полупроводника стока и истока, равных: а) 1 Ом; б) 2 Ом; в) 10 Ом.

Указание. Используйте формулы (5.4) и (5.6).

Задача 5.15. Рассчитайте и постройте ВАХ ПТШ для приведенных напря-

жений на затворе: а) UG 0,5UP ; б) UG 0,25UP ; в) UG 0,1U P. Параметры ПТШ следующие: ND = 6,5 1016 см –3; U Bi = 0,75 В; Z = 500 мкм; U P = 5,3 В;

L = 1 мкм; = 0,45 м2/(В·c).

61

Задача 5.16. Используя условия задачи 5.15, найдите зависимость построенных характеристик: а) от ширины канала Z; б) длины затвора L; в) подвиж-

ности носителей заряда ; г) напряжения перекрытия U P .

Указание. Воспользуйтесь программным средством MathCAD.

Задача 5.17. Рассчитайте максимальную крутизну ПТШ и постройте ее зависимость от напряжения перекрытия. Используйте параметры ПТШ из за-

дачи 5.15.

Указание. Воспользуйтесь программным средством MathCAD. Используйте формулу (5.7).

Задача 5.18. Рассчитайте зависимость емкости затвор–сток от напряжения на затворе. Параметры ПТШ приведены в задаче 5.15.

Указание. Воспользуйтесь программным средством MathCAD. Используйте формулу (5.8).

Задача 5.19. Рассчитайте граничную частоту ПТШ, параметры которого приведены в задаче 5.15.

5.2. Полевые транзисторы с управляющим p–n-переходом

Полевой транзистор с управляющим затвором в виде p–n-перехода по структуре и принципу действия аналогичен ПТШ. Отличие заключается в том, что в ПТУП (полевой транзистор с управляющим p–n-переходом) под затвором имеется высоколегированная область с противоположным по отношению к токовому каналу типом проводимости. В частности, в n-канальном транзисторе (рис. 5.5) под затвором имеется p+-область, которая и образует p– n-переход с n-каналом. Поскольку ме-

Рис. 5.5. Структура полевого транзистора талл затвора образует с p+-областью

с управляющим p–n-переходом омический контакт, то изменение напряжения на затворе приводит к изменению обедненной области p+–n-пере- хода и соответствующему изменению сечения токового канала исток–сток. Таким образом, ток между истоком и стоком управляется напряжением на затворе.

Для описания основных характеристик ПТУП воспользуемся результатами, полученными при описании ПТШ. Для этого введем обозначения в соответствии с рис. 5.5. В дополнение к приближениям, изложенным в 5.1, будем считать затворный переход односторонним и резким, с концентрацией NA в

62

p+-области, намного превышающей концентрацию ND в канале. Кроме того,

чтобы сосредоточить все внимание на управляющей функции затвора, будем считать, что обедненная область p–n-перехода канал–подложка находится в основном в подложке, т. е. толщина канала определяется как hC = A – W(y) (рис. 5.5). С учетом изложенного для вычисления основных характеристик ПТУП будем использовать выражения (5.1) – (5.8), полагая для n-канального транзистора UBi (kTq)ln(ND ni ) .

Задача 5.20. Постройте энергетическую диаграмму (ЭД) по сечению а-а' (рис. 5.5) и вычислите высоту токового канала h для равновесного состояня и при смещении UG = 1 В. Параметры кремниевого транзистора следующие:

(см. рис. 5.5) для случая, соответствующего электрическому пробою стоковой области транзистора.

5.3. Полевые МДП-транзисторы

Основным отличием МДП-транзисторов от ранее рассмотренных является наличие изолирующего диэлектрического слоя между затвором и полупроводником. В кремниевых транзисторах в качестве диэлектрика обычно используется диоксид кремния SiO2, поэтому их называют МОП-транзисторами. Если в МДП-транзисторе канал между истоком и стоком сформирован в процессе изготовления, то такой транзистор называется транзистором со встроенным каналом. Среди МДП-транзисторов наибольшее распространение в ИС получили транзисторы с индуцированным каналом. Структура транзистора с индуцированным n-каналом показана на рис. 5.6.

Основными параметрами транзистора являются: длина канала L, ширина канала Z, толщина подзатворного диэлектрика d, уровень легирования подложки N A .

Работа МДП-транзистора основана на управлении проводимостью цепи исток–сток с помощью напряжения на затворе. Когда напряжение на затворе

63

отсутствует, электрическая цепь исток–сток представляет собой два n+–p-пе- рехода, включенных навстречу друг другу. Ток в такой цепи очень мал и равен току обратносмещенного перехода. При подаче на затвор достаточно большого положительного напряжения в подзатворной области полупроводника индуцируется инверсный слой (канал) n-типа проводимости, соединяющий n+-области истока и стока.

Теперь, если увеличивать положи- Рис. 5.6.Структура полевого тельное напряжение на стоке, то ток в

МДП-транзистора

цепи исток–сток будет сначала ли-

нейно нарастать, а затем произойдет (при UD UD sat ) насыщение. Насыще-

ние тока стока при фиксированном напряжении на затворе связано с сужением проводящего канала со стороны стока и с сокращением его длины при увеличении U D .

На рис. 5.7 схематично показаны сечения транзистора, иллюстрирующие влияние напряжения смещения на конфигурацию канала и обедненной области.

В приближениях плавного канала и однородного легирования при учете только дрейфовой составляющей тока, а также полагая независимость подвижности от значения электрического поля, ток стока будет определяться [5] выражением

электрика; n – подвижность электро-

нов в канале; UT – пороговое напряжение.

Выражение (5.9) описывает зависимость ID f (U D ) для участка до насы-

щения тока. При малых U D в линейной области ток стока определяется как

64

ствующий положению уровня Ферми в подложке, отсчитываемый от середины запрещенной зоны; QB qNAW 2 S 0qND(2 0 USub) удельный заряд обедненной области полупроводника с учетом смещения на подложке; QSur – фиксированный заряд в диэлектрике.

Задача 5.23. Рассчитайте и постройте выходные характеристики ID f (U D ) кремниевого n-канального МОП-транзистора для двух значений напряжения на затворе: UG 2UT , UG 3UT . Рассмотрим транзистор, для которого N A = 5·1015 см -3; n = 600 см2/(В·с) ; Z/L = 60; Ci = 4·10-8 Ф/см2 ;

металл затвора – алюминий.

Указание. Используйте соотношения (5.9) – (5.11) и (5.14), полагая

USub = 0.

Задача 5.24. Для МДП-транзистора с индуцированным каналом p-типа рассчитайте и постройте зависимость крутизны от напряжения на стоке при UG 2UT , UG 3UT . Параметры транзистора: полупроводник – арсенид гал-

лия, подзатворный диэлектрик – Al2O3, металл затвора – золото; d = 50 нм;

65