«ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ Учебное пособие ТОМСК – 2006 2 Федеральное агентство по образованию ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра электронных приборов ...»

Присутствие заряда плотностью Qss ведет к появлению поля, ориентированного в том же направлении, что и поле, созданное за счет напряжения U3. В результате теоретическая вольт-фарадная характеристика смещается параллельно самой себе на величину UB1 (как при низких, гак и при высоких частотах). Если Qss > 0, то кривая смещается влево, а если Qss0 в случае кремния р-типа и UFUпор любой заряд, появляющийся на поверхности кремния, обусловлен плотностью Qn. Отсюда, используя результаты теории, развитой применительно к резкому p-n-переходу, получаем формулу для оценки толщины обедненного слоя в МОП-структуре с подложкой из кремния p-типа а также для оценки плотности заряда, связанного с обедненной областью, Формула, определяющая пороговое напряжение [см. выражение (5.52)], принимает более полный вид:

причем где последнее слагаемое правой части описывает заряд в оксиде кремния.

При U3 > Unop, а именно в этом режиме работают приборы, Следует еще раз отметить, что понятие порогового напряжения является одним из основных в теории МОП-приборов.

Как уже было указано в п. 5.1.1, в МОП-структуре создается тонкий слой носителей электрического заряда (электронов в кремнии p-типа), который располагается вблизи границы раздела SiO2 - Si. Этот слой возникает при условии, что напряжения, приложенного к затвору, достаточно для инвертирования типа электропроводности подложки. Данное явление служит основой работы МОП-транзистора.

Полевой МОП-транзистор представляет собой прибор, в котором основные процессы происходят на поверхности кремния. Усилительный эффект этого транзистора основан на том, что здесь в обедненной области происходит изменение плотности заряда, за счет чего изменяется сопротивление канала, соединяющего исток и сток прибора. Управляющим фактором служит внешний потенциал, приложенный к затвору.

Рис. 5.8. Условные графические обозначения различных МОП - транзисторов В зависимости от типа электропроводности канала различают два вида МОП-транзисторов: с каналом р- и n-типа. Каждый из этих двух типов приборов может работать в двух режимах: обеднения и обогащения (рис. 5,8).

Чтобы предельно упростить изложение принципа работы данного прибора, ограничимся лишь случаем МОП-транзистора с каналом n+-типа, работающим в режиме обогащения. Такой прибор состоит из кремниевой подложки р-типа, на которой способом диффузии созданы два островка (области) n+-типа, называемые истоком (И) и стоком (С) (рис. 5.9). На участок поверхности Рис. 5.9. Основная геометрическая представляет собой потенциал стока конфигурация МОП-транзистора с каналом n-типа, работающего в режиме обогащения направлении и ток в цепи оказывается весьма малым. Значение этого тока составляет около 1 нА при комнатной температуре. Чтобы ток между истоком и стоком оказался достаточно большим, нужно, чтобы в МОП-структуре в результате приложения напряжения затвор - подложка возникла сильная инверсия, обеспечивающая появление канала n-типа между областями истока и стока.

В соответствии с формулами (5.41), (5.9), (5.21) и (5.20) потенциал затвора относительно истока На границе режима сильной инверсии эта величина есть пороговое напряжение, определяемое соотношением (5.52) или (5.64). В условиях сильной инверсии, т. е. при достаточно большом напряжении U3 следует различать случаи больших и малых напряжений Uc Если напряжение Uc мало, то электроны, индуцированные в канале, перемещаются от истока к стоку под действием сил электрического поля.

Полевой транзистор ведет себя подобно резистору с сопротивлением Рис. 5.10. Вольтамперные характеристики U3 > Uпор, то на участке канала, при различных значениях U3 =const. Можно ближайшем к стоку, концентрация отметить существование омической или электронов уменьшается и поэтому линейной области (с квадратичной поп- сопротивление канала растет. В равкой), области насыщения и области пробоя.

(рис. 5.10). Если продолжать увеличивать напряжение Uc, то напряжение, приложенное к слою SiO2 в окрестности стока, уменьшается. Как следствие, в точке канала, ближайшей к стоку и называемой точкой отсечки канала, инверсии типа электропроводности не происходит. Такое явление наблюдается при некотором напряжении, называемом напряжением насыщения (рис. 5.10).

Поверхность полупроводника в окрестности указанной точки находится не в режиме инверсии, а в режиме обеднения. Если Uc > Ucнас, то точка отсечки канала перемещается, приближаясь к истоку. При этом ток между истоком и стоком не возрастает (режим насыщения тока). Другими словами, в таком режиме прибор ведет себя как источник тока, управляемый напряжением U До сих пор проводилось качественное рассмотрение вольтамперных характеристик Iс - Uc. Построим теперь математическую модель, которая описывает эти характеристики в ненасыщенном режиме. Покажем, что при определенных условиях эта же модель может описывать характеристики прибора, работающего в режиме насыщения.

Ненасыщенный режим-линейный режим Рассмотрим канал длиной L (см. рис. 5.9). Падение напряжения элементе канала длиной dy Так как I3 = 0, то ток I C неизменен вдоль координаты у. Поэтому Интегрируя равенство (5.70) по у от нуля до L и по U от нуля до Uc, получаем Согласно формуле (5.15), в режиме инверсии плотность заряда инверсного слоя является функцией координаты точки наблюдения, измеряемой вдоль канала:

Используя формулу (5.41) и вводя напряжение плоских зон, получаем Однако в соответствии с условием инверсии где U(y) - напряжение в точке канала с координатой у.

Следовательно, С другой стороны, используя выражения (5.64) и (5.63), находим Вычисления можно существенно упростить, если считать, плотность заряда QB в той области подложки, где сосредоточен пространственный заряд, не зависит от координаты у.

Поэтому в первом приближении будем считать, что где QB max - максимальное значение QB.

Подставляя выражения (5.75) и (5.77) в формулу (5.73), получаем Или с учетом формулу (5.65) Если теперь подставить (5.79) в (5.71), то получим формулу, описывающую вольтамперную характеристику в линейной области:

Если учесть изменение величины Qn ( y ), описываемое выражением (5.76), то вместо формулы (5.80) получить более точное равенство.

Режим насыщения Равенство Ic = Icнас означает появление точки отсечки канала (рис. 5.10 и 5.11). Это происходит при напряжении U C >UСнас таком, при котором Qn(L)= 0. Используя в формуле (5.79) условия Qn(L)= 0, получаем:

напряжения Uс.

Граничная частота передачи Если напряжение на затворе получает приращение U3, то возникает приращение тока стока Однако можно указать отрезок времени такой длительности t0, при которой ток за это время остается постоянным; при этом заряд в канале увеличивается на величину Qn. Следовательно, Для оценки рабочих частот прибора используют понятие граничной частоты, которую определяют выражением (5.91) Отсюда с учетом формулы (5.86) находим максимальную, рабочую частоту имеющую порядок 108 Гц. Для повышения граничной частоты следует увеличивать параметр n и уменьшать длину канала L. Так как n> p, то в современных ИС предпочитают использовать приборы с каналом n-типа, а не p-типа. Это в равной мере относится как к обогащенному, так и к обедненному режимам.

Ограничения, связанные с электрическим пробоем Предельные режимы работы МОП-транзистора характеризуются тем, что напряженность внутреннего электрического поля в обедненных областях переходов исток-подложка и сток-подложка достигает 40—60 В/мкм. При такой напряженности поля происходит лавинное размножение носителей (см.

рис. 5.10 и 5.11), в результате которого эти р-n-переходы могут разрушаться.

5.6. Полевой транзистор с управляющим p-n- переходом Полевой транзистор с управляющим р-n-переходом имеет меньшее входное сопротивление по сравнению с МОП-транзистором. Однако оно все же больше, чем входное сопротивление биполярного транзистора. При правильном проектировании такие транзисторы должны иметь параметры, недостижимые в рамках биполярной и МОП-технологий. Примером могут служить арсенид-галлиевые полевые транзисторы, предназначенные для работы на высоких частотах, хотя фактически приборы представляют особый класс транзисторов (см. § 5.8) Существуют полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом и каналами р- или n-типа. По физической структуре они аналогичны биполярным р-п-р- и n-р-n-транзисторам, принцип их работы совершенно иной. Общим является то, что как в полевом транзисторе с управляющим р-п-переходом, так и в биполярном транзисторе (см. гл. 6) используются явления, происходящие в объеме полупроводника.

На рис. 5.13 представлены структура и условное графическое изображение полевого транзистора с управляющим переходом и каналом р-типа, соединяющим области истока и стока. Здесь электрод истока Рис. 5.13. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом p-типа: а – физическая структура; б – условное графическое обозначение.

заземлен; режим цепи стока выбран таким образом, что происходит дрейфовое движение основных целей в р-канале от истока к стоку. К электроду затвора относительно истока приложено некоторое напряжение смещения U3 > 0. При этом р-n-переходы смещены в обратном направлении и толщина обедненного слоя W возрастает, а толщина канала сокращается, что ведет к соответствующему изменению проводимости. Поэтому данный прибор можно рассматривать как переменный резистор, управляемый напряжением U3. Воспользуемся тем, что на основании формулы (4.17) для п+-р-перехода, у которого Nd>>Na, можно записать.

В режиме, которому соответствует рис. 5.14, а когда U3=Uс=0. ток отсутствует. Толщина обедненной области постоянна вдоль канала и определяется выражением где U0=UTln(NaNd/n2i) Рис 5.14. Поперечный разрез полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом p-типа при различных напряжений Если напряжение U3 >0, то возникает поток электронов и, как следствие, ток в цепи (рис. 5.14, б, в соответствуют случаи UcUCнас).

Качественный анализ работы полевого транзистора с каналом р-типа Кратко изучим выходные вольтамперные характеристик Iс-Uc данного полевого транзистора (рис. 5.15). При фиксированном напряжении U3 = const ток Iс возрастает до тех пор, пока напряжение стока UС не достигнет значения, выше которого ток Iс остается постоянным.

Физически это означает, что канал переходит в режим отсечки.

Чем больше значение |UС|, тем меньше сказывается влияние смещения, поданного на п+-р-перехода, и, как следствие, тем толще канал. Если Uc>UCнас, то канал перекрывается в точке расположенной перед стоком. Ток стока остается постоянным, так как все носители, инжектированные в проводящую область, достигают стока, не испытывая рекомбинации.

Рис. 5.15. Семейство выходных характеристик полевого относительно истока, тем меньше ток насыщения.

Дело в том, что при этом сокращается начальная толщина канала, что приводит к возрастанию начального сопротивления.

Качественный анализ полевого транзистора с каналом n- типа Будем считать, что выполняются следующие предположения: Размер области, обедненной зарядами, изменяется по линейному закону (плавный канал). Переход р + -п является резким. Явлениями, происходящими вне канала толщиной W, можно пренебречь. В пределах канала n-типа концентрация легирующей примеси постоянна. Имея в виду физическую геометрическую симметрию прибора, можно провести аналитическое рассмотрение, обратившись к поперечному размеру (рис. 5.16).

Обозначим символами у1 и у2 толщину обедненной области у истока и стока соответственно.

Рис. 5.16. Поперечный разрез верхней половины полевого транзистора с упра-вляющим p-nпереходом и каналом n-типа (упрощенное изображение) Если Na>>Nd, то толщина обедненного слоя на расстоянии х от истока U (x) - функция, описывающая распределение потенциала вдоль канала, возникающее под действием приложенного напряжения Uc. Напряжения U(x) и U3 складываются с напряжением Uo и смещают p+-n-переход в обратном направлении. При x = 0 напряжение U(x) = 0 и поэтому Если же x=L, то U(X)=U, так Следовательно, В это выражение входит напряжение отсечки канала Поэтому Откуда Выведем выражение для тока Iс. В полевом транзисторе с управляющим р-n-переходом и каналом n-типа напряжение затвора относительно истока U3 0. Напряжение Uc создает электрическое поле с составляющей, вектора х, направленной в сторону, противоположную движению электронов. Это поле вызывает дрейф основных носителей в канале по направлению от истока к стоку.

Плотность тока в канале С другой стороны, Объединяя формулы (5.102) и (5.103), получаем Так как то, беря абсолютное значение х, получаем Если напряжение Uс>0 относительно истока, то электроны в канале перемещаются в сторону стока, так что ток Iс>0 (в соответствии с противоположно направлению движения электронов).

Имея в виду, что и что для всего прибора должен быть взят множитель 2а - 2р(х), преобразуем формулу (5.106) следующим образом:

Дифференцируя выражение (5.95), получаем интегрирование по х в пределах от 0 до L, находим где Напряжение отсечки канала Uотс определяется выражением (5.100).

Выражение (5.110) можно представить в ином виде:

где - проводимость, мСм, капала n-типа при отсутствии обедненного слоя.