Материал: традзисторы

Материалы лекций В.Г. Шинкаренко. 2010/2011 уч. год.

При таком выборе эффективной ширины площадь поперечного сечения, значит, и проводимость прямо пропорциональны количеству ННЗ-электронов в данном у-сечении канала. Плотность электронов однозначно связана с шириной канала. Ширина канала зависит от обратного смещения индуцированного п-р– перехода «канал-подложка», создаваемого напряжением затвора и током стока при прохождении омического сопротивления канала.

Подчеркнем основные выводы:

• Дрейфовый ток ОНЗ-электронов в канале возможен, когда канал сформирован при напряжении затвора UЗИ > Uпорог , и n+-

карманы соединены n-каналом (рис. 3.1б). Необходимое для этого пороговое напряжение затвора (3.21), равное

является конструктивно-физическим параметром ПТ. Верхние знаки – для n-канала на p-подложке, нижние – для p-канала на n –

подложке, N −1 = NA−1 + ND−1 – эффективная концентрация примесей в подложке, N ≈ NA, NA ND .

• При фиксированном напряжении затвора UЗИ > Uпорог уве-

личение напряжения стока UСИ приводит к росту тока стока и падению напряжения на омическом сопротивлении канала, значит, увеличению потенциала ϕy (IC ) . Когда ток стока возрастёт

настолько, что напряжение на участках канала, ближайших к сто152

Материалы лекций В.Г. Шинкаренко. 2010/2011 уч. год.

ку, достигнет значения ϕy=l = (UЗИ −Uпорог ), то согласно (3.26) Qn = 0 . Происходит отсечка канала и насыщение тока стока IC = IC нас (рис. 3.6г). Ток стока достигает насыщения при напряжении стока, равном

• Напряжение насыщения зависит он напряжения затвора. Как следует из уравнения (3.26), чем больше напряжение затвора, тем при больших напряжениях стока наступает отсечка канала и тем

выше напряжение насыщения ϕy=l = (UЗИ −Uпорог ) =UС нас (рис. 3.8, рис. 3.9).

• Насыщение тока стока (отсечку канала) можно получить как изменением напряжения стока, UСИ так и изменением напряже-

ния затвора UЗИ .

• Из соотношения (3.26) следует, что концентрация СНЗэлектронов в данном сечении канала, значит, начальная проводимость и возможный максимальный ток канала тем больше, чем выше напряжение затвора.

3.3Вольтамперные характеристики МОПтранзистора

В схеме с общим истоком входной сигнал подаётся на затвор. Выходным сигналом является ток стока (рис. 3.18).

Выходные или стоковые характеристики – это зависимость тока стока от напряжения стока при постоянном напряжении за-

твора: IС = fC (UСИ ,UЗИ = const) .

Ток стока формируется за счёт дрейфа основных носителей заряда (ОНЗ) от истока к стоку под действием поля, создаваемого источником напряжения UСИ . Монополярный характер прово-

димости отличает ПТ от БТ, где проводимость имеет биполярный характер и осуществляется за счёт диффузии и дрейфа.

Поскольку затвор ПТ изолирован от канала диэлектриком, то входное сопротивление велико, а постоянный входной ток является током утечки диэлектрика. Поэтому входные характеристики – зависимость тока затвора от напряжения затвора – не имеют

153

Материалы лекций В.Г. Шинкаренко. 2010/2011 уч. год.

ном напряжении стока IСнас = fС−З (UЗИ ,UСИ = const) . Переда-

точными эти характеристики называются потому, что в схеме с общим истоком они определяют зависимость отклика – выходного тока стока от входного воздействия – напряжения затвора.

Стоковая вольтамперная характеристика.

Ток в произвольном участке канала сечением bz ×hy на уда-

лении y от истока (рис. 3.19) согласно дифференциальному закону Ома будет равен:

= QnμS b ddyϕy , где использовано соотношение (3.28). Используя

(3.26), значит, полагая, что пороговое напряжение одинаково по длине канала, и прохождение тока стока не изменяет заряд ОПЗ, а

влияет только на заряд инверсных электронов Qn (y) , получаем:

154

Материалы лекций В.Г. Шинкаренко. 2010/2011 уч. год.

малых амплитуд, где МОП-транзистор может быть представлен линейным четырёхполюсником.

• Область пробоя при UСИ ≥UСB , где UСB – напряжение про-

боя. Более высокое напряжение пробоя наступает при более высоком напряжении затвора, соответствующем большим значениям начального поперечного сечения канала.

• Область подпороговых токов стока при напряжениях затвора UЗИ < Uпорог . Этот режим соответствует закрытому состоянию

МОП-транзистора. Подпороговая область характеристик важна для устройств, использующих переключение МОП-транзистора из закрытого состояния в открытое (цифровые логические схемы, устройства памяти, другие переключающие схемы). В области малых напряжений затвора в условиях слабой инверсии основной составляющей тока стока является диффузионная составляющая биполярного n-p-n транзистора, созданного областями исток- подложка-сток. Из-за малости токов эта область не показана, хотя формально обозначена на рис. 3.32.

Особенности выходных стоковых характеристик

• В области малых напряжений стока ток стока практически не влияет на параметры токопроводящего канала. Область сток– исток работает как управляемый линейный резистор, проводимость которого прямо пропорциональна напряжению затвора. Ток стока можно представить произведением проводимости всего канала gк на напряжение UCИ , приложенное к каналу. Действи-

Нетрудно заметить, что проводимость gк , определяемая множи-

телем в квадратных скобках, есть производная стоковой характеристики (дифференциальная проводимость) в начале координат:

157

Материалы лекций В.Г. Шинкаренко. 2010/2011 уч. год.

чальной проводимости канала, поскольку устанавливается напряжением затвора и является проводимостью канала, по которому ещё не проходит ток. Начальная проводимость соответствует равномерному распределению электронов по длине канала nS = const ≠ nS (y). Когда по каналу проходит ток nS = nS (y).

Начальная проводимость выражается через концентрацию электронов в начале координат у истока: nS|y=0 = nS (0).

Проводимость канала определяется тангенсом угла наклона стоковой характеристики при UСИ = 0. Поэтому кривые выходят

из начала координат под разными углами, пропорциональными напряжению затвора (рис. 3.9, рис. 3.20).

• При повышении напряжения на затворе ток насыщения и напряжение насыщения увеличиваются. Это вызвано увеличением начальной проводимости канала, обусловленным расширением

начального (при IC = 0) поперечного сечения (hy ×b) за счёт

ширины (3.28). Характеристики сдвигаются вверх и вправо.

• Характеристики идеального транзистора не эквидистантны относительно изменения напряжения на затворе: увеличение напряжения затвора в 2 раза приводит к увеличению тока насыщения практически в 4 раза, поскольку ток насыщения (3.32) пропорционален квадрату напряжения на затворе. Значит, равным приращениям напряжения затвора соответствуют неравные приращения тока стока.

Стоковые характеристики идеального транзистора рассчитываются в предположении, что подвижность носителей в канале μS не зависит от напряжённости поперечного электрического

поля Ex , создаваемого затвором. Однако экспериментальные ре-

зультаты показывают значительную зависимость продольной поверхностной подвижности от поперечного электрического поля, что существенно влияет на характеристики реальных приборов. На рис. 3.21а приведены экспериментальные зависимости продольной подвижности электронов μSn (Ex ) от напряжённости

158

Материалы лекций В.Г. Шинкаренко. 2010/2011 уч. год.

μSn . Зависимость μSn (Ex ) приведена на соседнем рис. 3.21а. Как

и должно быть при больших значениях напряжённости продольного поля Ey дрейфовая скорость достигает насыщения. Однако,

величина самой скорости насыщения имеет явную зависимость от поперечного электрического поля Ex .

Рис. 3.22. Расчётные и экспериментальные стоковые характеристики.

а) Характеристики, рассчитанные в предположении постоянной подвижности (пунктир) и с учётом полевой зависимости подвижности (сплошные линии). б) Экспериментальные характеристики для р-канального МОП-транзистора с параметрами d=2000А°, ND= 4,6·1014 см-3 , μр = 256 см2/В·с.

Влияние эффекта насыщения продольной дрейфовой скорости на стоковые характеристики проиллюстрировано на рис. 3.22а. Зависимость дрейфовой скорости от поперечного поля (затвора) вызывает, во-первых, значительное уменьшение тока насыщения МОП-транзистора и, во-вторых, не создаёт квадратичную (3.32), как предсказывает теория идеальных МОП-транзисторов, зависимость тока насыщения от напряжения на затворе. Стоковые характеристики реальных транзисторов почти эквидистантны

160

Материалы лекций В.Г. Шинкаренко. 2010/2011 уч. год.

относительно изменения напряжения затвора (рис. 3.22б, рис. 3.8а).

• Особенности пробоя. Наихудшие условия (малые напряжения) пробоя соответствуют отключённому затвору. Высокое входное сопротивление ПТ способствует пробою подзатворного окисла зарядом, накапливаемым ёмкостью затвора, при относительно низких напряжениях64. Например, при толщине окисла d = 0,05мкм напряжение пробоя составляет всего UB = 50В. Такое

напряжение может быть легко создано зарядом от рук экспериментатора. Для короткого канала характерен прокол канала, когда смыкаются ОПЗ истокового и стокового переходов. Для длинного канала – лавинный пробой стокового перехода.

Напряжение пробоя стокового перехода UB определяется разностью потенциалов между стоком ϕС и затвором ϕЗ . Оно

является конструктивно-физическим параметром полевого транзистора: UB =ϕС −ϕЗ = const . Добавив в правую часть этого ра-

венства потенциал истока ±ϕИ , получим явную зависимость на-

пряжения пробоя от напряжения затвора:

UB = (ϕС −ϕИ )−(ϕЗ −ϕИ ) = UСИ −UЗИ = const .

Отсюда следует, что чем больше напряжение затвора, тем при более высоком напряжении стока UCИ =UCВ наступает пробой:

UCВ =UВ +UЗИ (рис. 3.20).

• Стоковые характеристики полевого транзистора со встроенным каналом (рис. 3.5) имеют аналогичный вид. Однако если для нормальной работы ПТ с индуцированным каналом нужно приложить к затвору достаточно большое напряжение UЗ ≥Uпорог ,

то ПТ со встроенным каналом открыт уже при нулевом напряжении на затворе.

Встроенный токопроводящий канал под затвором МОПтранзистора может быть создан как технологическими методами в процессе производства, так и за счёт напряжения плоских зон – фиксированного заряда поверхности и контактной разности по-

64 При малых сопротивлениях ёмкость легко разряжалась бы через входное сопротивление.

161