Материал: традзисторы

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

Подвижность носителей в канале уменьшается с ростом температуры (рис. 3.28), что приводит к снижению крутизны (3.35) и уменьшению дрейфового тока стока (3.31), (3.32).

Уменьшение подвижности вызвано повышением интенсивности актов рассеяния носителей заряда на тепловых колебаниях решётки (фононах) и ионизированных атомах примеси.

Пороговое напряжение с повышением температуры снижается, что вызывает рост тока стока (3.32). Снижение порогового

меньшей напряжённости электрического поля (меньшем пороговом потенциале).

В итоге температурные изменения крутизны могут быть компенсированы противоположными изменениями тока стока. Об этом свидетельствуют экспериментальные сток-затворные характеристики, приведённые на рис. 3.29 для двух температур. Пересечение кривых показывает, что существует область рабочих па-

172

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

раметров, в которой ток стока практически не зависит от температуры.

Вцелом МОП-транзисторы менее чувствительны к

зависят от температуры.

Действительо, свободные ноители заряда –электроны и дырки, формирующие токи, возникают в полупроводнике благодаря ионизации примесных и собственных атомов за счёт энергии тепловых колебаний решётки. Для ионизации собственных атомов и перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия, равная ширине запрещённой зоны. В то время как для перевода электрона с уровня примеси в зону проводимости требуется существенно меньшая энергия, равная энергии ионизации примеси. Поэтому при каждой данной температуре эти два прцесса играют существенно неодиноковую роль.

Зависимость концентрации ОНЗ-электонов от обратной температуры в полулогарифмических координатах для двух концентраций доноров в кремнии приведена на рис. 3.30. Температурная зависимость имеет три характерные области:

173

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

• Область низких температур 1, где средняя энергия фононов мала по сравнению с энергией ионизации доноров. Доноры ио-

ещё незначительна. Такое состояние полупроводника является состоянием «примесного истощения» в том смысле, что примесные атомы «истощились», отдав свои «лишние» электроны в зону проводимости. В этих условиях концентрация свободных электронов равна концентрации доноров n ≈ ND , преобладают при-

месные, т.е. основные носители. Полное число электронов в зоне проводимости практически не зависит от температуры.

• Область 3 высоких температур, где энергия фононов превышает ширину запрещённой зоны, и концентрация собственных носителей становится больше концентрации доноров ni > ND .

Поскольку ионизация собственных атомов создаёт пару СНЗ ni = pi , то примесный полупроводник приобретает свойства соб-

ственного.

Полупроводниковые приборы нормально фукционируют в рабочем диапазоне температур, соответствующем области 2, где концентрация ОНЗ слабо зависит от температуры и равна концентрации примесей. Однако в этом диапазоне концентрация

174

• Итоговая сводка вольтамперных характеристик и схемных обозначений ПТ.

175

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

Рис. 3.32. Вольтамперные характеристики и схемные обозначения ПТ.

Контрольные вопросы

1.Как поверхностный потенциал связан с изгибом энергетических зон, наличием и направлением электрического поля? Какими объективными физическими причинами обоснован выбор направления отсчёта поверхностного потенциала?

2.Какой физический смысл имеет каждое слагаемое соотношения (3.29) для порогового напряжения ПТ?

3.Охарактеризуйте особенности состояния сильной инверсии, которые позволяют воспльзоваться упрощенной моделью при выводе ВАХ ПТ?

4.В чём различие моделей ПТ, из которых получены соотношения (3.31) и (3.33) для ВАХ ПТ?

5.Каковы особенности стоковой ВАХ в начале координа, в областях насыщения и пробоя.

6.Каков механизм влияния напряжении исток–подложка на параметры ПТ?

7.Какими физическими процессами ограничивается быстродействие ПТ? Как они отражены в эквивалентной схеме ПТ?

8.Как и почему изменяются ток стока и порговое напряжение при изменении температуры?

176

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

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.1. Вариант обоснования величины ём-

кости МОП-структуры.

Чтобы определить напряжение на окисле при наличии заряженной поверхности раздела воспользуемся подходом, основанным на иных физических свойствах МОП-структуры.

Если рассматривать МОП-структуру как плоский конденсатор, одна из обкладок которого является полупроводником, то плотность заряда металлического затвора будет равна: QЗ = CМОПUОК , где CМОП – удельная (на единицу площади раздела) полная ёмкость МОП-структуры. Но по условиям электрической нейтральности QЗ+ = QПП− −к , поэтому UОК = QЗ CМОП =

= QПП−к CМОП .

Поскольку полная удельная ёмкость МОП-структуры определяется последовательным соединением ёмкости полупроводника и ёмкости окисла, её величина должна быть меньше меньшей из двух последовательно соединённых емкостей.

Ёмкость окисла определяется конструкцией ПТ, в частности, толщиной окисла, и не зависит от режима работы ПТ. Дифферен-

циальная ёмкость полупроводника СПП−к ≡ dQПП−к изменяется dϕS

при изменении напряжения на структуре. Зависимость относительной величины полной ёмкости идеальной МДП-структуры от приложенного напряжения приведена на рис. 3.17 [Зи I].

При отрицательных напряжениях в режиме аккумуляции дырок у границы раздела SiO2-Si ёмкость полупроводника сущест-

венно больше ёмкости окисла, поэтому CМОП → СОК . При положительных напряжениях U ≤ U порог в режиме обеднения пол-

ная ёмкость МДП-структуры уменьшается, потому что обеднённая область, образующаяся в приповерхностном слое полупроводника, действует как дополнительный слой диэлектрика. В режиме инверсии, а тем более – сильной инверсии, полная ёмкость, пройдя минимум, резко возрастает. Это вызвано тем, что в полупроводнике у границы раздела с диэлектриком образуется электронный инверсионный слой, заряд (концентрация СНЗ) которого экспоненциально зависит от напряжения (т.е. “круто” управляет-

177