Материал: традзисторы

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

тенциалов между металлом затвора и полупроводником подложки.

Встроенный токопроводящий канал с необходимостью сопровождается наличием встроенного p-n–перехода (рис. 3.5). Если полярность напряжения на затворе соответствует обратному смещению этого p-n–перехода (UЗ > 0 для n-канала и p-

подложки, UЗ < 0 для p-канала и n-подложки), то с увеличением

модуля напряжения на затворе сечение канала расширяется. ПТ работает в режиме обогащения. Характеристики сдвигаются вверх в сторону больших значений тока стока (рис. 3.32). В противном случае – транзистор работает в режиме обеднения. С увеличением модуля напряжения на затворе сечение канала уменьшается, пока не наступит отсечка канала. Выходные характеристики сдвигаются вниз в сторону меньших значений тока стока.

Сток-затворная характеристика.

При UСИ = (UЗИ −Uпорог ) = UСнас ток стока равен току насы-

щения (3.32)

IС нас = 2bl μSCОК (UЗИ −Uпорог )2 .

Это соотношение представляет собой сток-затворную характеристику – зависимость тока стока в области насыщения от напряжения затвора при фиксированном напряжении стока. Семейства сток-затворных характеристик транзисторов с индуцированным и встроенным каналами приведены на рис. 3.23. Параметром семейств является напряжение стока.

•Характеристики подобны. Отличаются значением и смыслом порогового напряжения. Пороговое напряжение ПТ со встроенным каналом соответствует отсечке (закрытию) канала. Пороговое напряжение ПТ с индуцированным каналом соответствует режиму открытия канала.

•МОП-ПТ со встроенным каналом (рис. 3.5) всегда нормально открыт: при UЗ = 0 ток стока IC ≠ 0 , если подано напряжение

стока UСИ ≠ 0 . На затвор может быть подано напряжение обеих

162

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

•Сток-затворные характеристики реальных ПТ (приведены на рис. 3.29) отличаются от характеристик идеальной модели, поскольку последняя не учитывает зависимость подвижности и тока насыщения от напряжённости поперечного поля затвора (эффект насыщения дрейфовой скорости рис. 3.22). Из практической эквидистантности стоковых характеристик реальных ПТ следует линейность их сток-затворных характеристик.

•Линейность сток-затворных характеристик при малых напряжений стока объясняется тем, что в линейной области напряжение сток-исток не зависит от напряжения затвора. Хотя ток стока по-прежнему пропорционален плотности заряда электронов

вканале (3.26) и напряжению стока, но напряжение сток-исток не зависит от напряжения затвора (см. (3.34)). Из линейности характеристик в области малых напряжений стока следует возможность экспериментального определения порогового напряжения путём линейного продолжения сток-затворной характеристики, измеренной при малых напряжениях стока, до пересечения с осью напряжений.

•В принципе исток и сток МОП-транзисторов взаимозаменяемы в том смысле, что не имеет принципиального значения, в какую сторону будет направлен дрейфовый поток носителей в ка-

нале. Однако напряжение сток–исток UCИ не только управляет

дрейфовым током канала, но и создаёт смещение п-р-перехода «сток-подложка»65. Если стоковый переход будет смещён в прямом направлении, то к выходному току стока добавится большой прямой дополнительный ток стокового перехода, что затруднит выделение тока канала. При обратном смещении дополнительный ток п-р-перехода «сток-подложка» будет пренебрежимо мал. Поэтому знак напряжения сток-исток должен быть таким, чтобы стоковый переход был смещён в обратном направлении. Для п- канальных транзисторов UCИ > 0, на стоке плюс. Для р-

канальных транзисторов UCИ < 0 , на стоке минус (рис. 3.18).

• Если транзистор имеет вывод подложки, возникает дополнительная возможность управления параметрами ПТ путём измене-

65 Следует помнить, что исток соединён с подложкой и заземлён, а напряжение сток–исток подключается между стоком и землёй (рис. 3.6в).

164

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

ния потенциала подложки. Потенциал подложки влияет на величину обратного смещения индуцированного п-р-перехода «ка- нал–подложка», которое отсчитывается от нуля при заземлённой подложке, либо суммируется с заданным потенциалом подложки в противном случае.

ток–подложка обратного смещения подложки, видим, что обратное смещение увеличивает заряд ОПЗ индуцированного п-р- перехода «канал–подложка», что в свою очередь приводит к смещению порогового напряжения затвора (3.21) в сторону больших значений:

Электрод подложки является одним из электродов индуцированного перехода. Этот переход должен иметь обратное смещение. Значит, на р-подложку (п-канального транзистора) надо подавать «минус», на п-подложку (р-канального транзистора) надо подавать «плюс» источника напряжения смещения положки. Прямое смещение не допустимо, т.к. в цепи смещения подложки

165

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

появится большой ток. В транзисторах, не имеющих вывода подложки, она соединена с истоком.

координат (рис. 3.25).

3.4 Параметры полевого транзистора.

• Крутизна сток–затворной характеристики есть произ-

водная сток–затворной характеристики в области насыщения.

Крутизна имеет размерность проводимости. Её называют иногда проходной проводимостью, потому что для малых сигналов она связывает выходной ток стока с входным напряжением за-

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

ризует усилительные свойства ПТ. Обычно размерность крутизны указывают в [мАВ] . В этом случае крутизна численно рав-

на изменению тока стока в мА при изменении напряжения затвора на 1В.

Для повышения крутизны следует увеличивать отношение (bl) – обеспечивать конструкцию с широким и коротким кана-

лом, использовать материал с большой поверхностной подвижностью μS , уменьшать толщину подзатворного диэлектрика d ,

увеличивать напряжение затвора.

Однако по мере уменьшения длины канала свойства МОП–ПТ начинают резко отличаться от рассмотренных длинноканальных приборов. Особенности обусловлены принципиально двумерным характером распределения электрических полей в канале. Для описания короткоканального ПТ уже нельзя использовать приближение плавного канала, где предполагается, что Ex Ey , по-

этому задача одномерна.

Увеличение ширины канала и уменьшение толщины подзатворного диэлектрика увеличивает ёмкость «затвор-канал», что снижает быстродействие.

Из-за наличия на поверхности большого количества центров рассеяния поверхностная подвижность носителей в канале обычно в 2 – 3 раза меньше объёмной. Например, у кремния поверхностная подвижность электронов при комнатной температуре со-

ставляет 400 – 700 см2 В c , в то время как объёмная равна 1300 см2 В с. Объёмная подвижность электронов в германии 3800 см2 В с, в арсениде галлия – 8500 см2 В с. Подвижность элек-

тронов заметно больше подвижности дырок. Поэтому крутизна п- канальных транзисторов выше, чем у р-канальных.

Как видно из (3.31), (3.32) крутизна уменьшается с увеличением порогового напряжения, следовательно, использование потенциала подложки для увеличения порогового напряжения приводит к снижению крутизны.

• Пороговое напряжение (3.21), (3.29). Основное влияние на величину порогового напряжения оказывает концентрация примесей в подложке и заряд поверхности (напряжение плоских зон).

167

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

Положительный заряд QSS > 0 р-подложки п-канальных транзисторов и отрицательная контактная разность потенциалов U0 < 0

Al-SiO2-Si–структуры создают электрическое поле, направленное в одну сторону с полем затвора при UЗИ > 0 , что снижает поро-

говое напряжение (3.29).

Когда подложка легирована слабо, концентрация примесей невелика. Вес слагаемого, содержащего заряд поверхности в (3.29), возрастает. Пороговое напряжение под влиянием поля поверхностного заряда может уменьшиться до нуля или стать отрицательным. В этом случае будет сформирован транзистор со встроенным каналом (рис. 3.5, рис. 3.23).

• Внутреннее сопротивление – есть выходное дифференци-

порциональное дифференциальной проводимости, значит, наклону стоковой характеристики. Как видно из выходных характеристик (рис. 3.20), внутреннее сопротивление минимально в области плавного канала в начале координат, где наклон велик. Наибольшее значение Ri достигает в области насыщения, где оно

определяется эффектом модуляции длины канала у реального транзистора и равно бесконечности у идеального транзистора.

Большое внутреннее сопротивление (порядка сотен килоом), необходимое при работе транзистора в линейных усилительных схемах, достигается увеличением длины канала и концентрации примесей в подложке. Малое внутреннее сопротивление при нулевых напряжениях стока, необходимое в цифровых схемах, достигается согласно (3.36) за счёт повышения крутизны:

• Коэффициент усиления по напряжению. Полагая, что ток стока является функцией двух переменных IC = IC (UЗИ ,UCИ ),

для дифференциала тока стока получим:

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

Отсюда при IC = const определим, что коэффициент усиления

μ= dUCИ выражается через произведение крутизны и внутрен- dUЗИ

него сопротивления: μ = SRi . В области плавного канала μ = SRi0 ≤1. Усиление невозможно. Усиление можно получить в области насыщения, где μ = SRi 1 .

•Ёмкости МОП-транзистора. Структуре МОП-транзистора

ипринципу его работы присущи следующие ёмкости (рис. 26):

разуются за счёт того, что затвор и слой окисла частично перекрывают области истока и стока Cперекр = ε0εОК bδld . Перекры-

тие затвора и ОПЗ карманов принципиально необходимо у ПТ с индуцированным каналом. В противном случае непрерывный канал не будет сформирован. Величина перекрытия δl должна быть минимальной, чтобы минимизировать эти ёмкости.

− Барьерные ёмкости истокового Cбар Исток и стокового Cбар Сток переходов присущи физической структуре ПТ. Они за-

висят от площадей п+-карманов и концентрации примесей в подложке. Для уменьшения барьерной ёмкости легирование подложки должна быть небольшим.

• Малосигнальная эквивалентная схема. Идеальный МОП-

транзистор в схеме с общим истоком является усилителем с бесконечным входным сопротивлением и генератором тока на выхо-

169

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

де ic = Suз рис. 3.27а. Электрические свойства реальных транзи-

сторов учтены эквивалентной схемой, вариант которой представлен на рис. 27б.

затвор-сток CЗС возникает из-за эффекта перекрытия. Проходная

ёмкость является причиной обратной связи между стоком и затвором, выходом и входом схемы с общим истоком. Нередко эту ёмкость называют ёмкостью обратной связи.

Выходная проводимость gвых определяется проводимостью

обратно смещённого стокового перехода и внутренним сопротивлением Ri транзистора. Выходная ёмкость Cвыx формируется, в

основном, барьерными ёмкостями п+-р–переходов истока и стока, соединёнными областью объёма подложки.

• Предельная частота крутизны. Все элементы схемы, пред-

ставленной на рис. 3.27б, влияют на быстродействие транзистора. Однако максимальное быстродействие (полоса) определяется минимально необходимым временем формирования канала, т.е. временем наполнения канала электронами или, выражаясь схемным языком, временем заряда ёмкости затвор-канал. Очевидно, что это время равно времени пролёта канала.

170

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

Временя пролёта канала τпролёта определим из следующего рассуждения. За счёт прохождения в течение времени пролёта

через статическую крутизну (3.35). Учитывая соотношение (3.34), время пролёта можно рассматривать как постоянную времени заряда ёмкости затвор-канал через сопротивление Ri0 :

τпролёта = Ri0CЗК . Эта интерпретация вполне допустима, по-

скольку канал заполняется электронами, инжектированными истоковым переходом, имеющим прямое смещение (рис. 3.7). В противном случае канал формировался бы значительно дольше – только за счёт ННЗ, термогенерированных в объёме подложки и на поверхностных состояниях, как в ПЗС.

Частотная зависимость крутизны S ( f ) определяется аналогично биполярным транзисторам соотношением S ( f ) = S 1+ j ( f fS ) , где S – статическая крутизна, fS – предельная частота крутизны, такая что S ( fS ) = S 2 = 0,7S .

• Температурные зависимости параметров. Параметры ПТ зависят от температуры. Это означает, что при заданном режиме работы (напряжениях на электродах) ток стока будет зависеть от температуры. Причём при изменении температуры в одну сторону он может как увеличиваться, так и уменьшаться. Температур-

ный коэффициент тока стока dIdTC может принимать положитель-

ное, нулевое или отрицательное значение.

Физическими причинами температурной зависимости тока стока являются температурные изменения подвижности носителей и порогового напряжения (3.29).

171