Полевой транзистор относится к типу приборов, управляемых напряжением. Обычно электрод истока является общим, и относительно его определяются величина и знак прикладываемого напряжения и протекающего тока. Напряжение на затворе МДП-транзистора обозначается значком VG, на стоке транзистора - VDS, на подложке - VSS. Ток, протекающий между истоком и стоком, обозначается IDS, ток в цепи «затвор – канал» – IG. Для полевых транзисторов с изолированным затвором ток затвора пренебрежимо мал, составляет величины пикоампер. По этой причине мощность, расходуемая на реализацию транзисторного эффекта в первичной цепи, практически нулевая [5].
Рисунок 1.5 - МДП-транзистор с индуцированным каналом в равновесных условиях:
а) напряжение на затворе отсутствует VG = 0;
б) напряжение на затворе больше порогового напряжения VG > VT
На рис. 1.5 показана схема МДП-транзистора с индуцированным p-каналом в равновесных условиях (VDS = 0) при нулевом напряжении на затворе и при напряжении на затворе выше порогового напряжения.
В области инверсии концентрация неосновных носителей заряда в инверсионном канале выше, чем концентрация основных носителей в объеме полупроводника. Напряжение на затворе VG, при котором происходит формирование инверсионного канала, называется пороговым напряжением и обозначается VT. Изменяя величину напряжения на затворе VG в области выше порогового напряжения, можно менять концентрацию свободных носителей в инверсионном канале и тем самым модулировать сопротивление канала Ri. Источник напряжения в стоковой цепи VDS вызовет изменяющийся в соответствии с изменением сопротивления канала Ri ток стока IDS, и тем самым будет реализован транзисторный эффект. Напомним, что транзисторный эффект заключается в изменении тока или напряжения во вторичной цепи, вызванном изменениями тока или напряжения в первичной цепи. Отметим, что ток в цепи «исток - канал - сток» IDS обусловлен только одним типом носителей, то есть действительно МДП-транзистор является униполярным прибором. Поскольку области истока и стока сильно легированы, то они не оказывают влияния на ток канала, а только обеспечивают контакт к области канала [8].
Таким образом, МДП-транзистор является сопротивлением, регулируемым внешним напряжением. К нему даже в большей степени, чем к биполярным приборам, подходит историческое название «транзистор», так как слово «transistor» образовано от двух английских слов - «transfer» и «resistor», что переводится как «преобразующий сопротивление» [16].
Электрод истока является общим и относительно его определяются величина и знак прикладываемого напряжения и протекающего тока. Рассмотрим на примере n-канального МДП-транзистора с индуцированным каналом, каким образом выбираются величина и знак напряжения на затворе, стоке и подложке, обеспечивающих работу МДП-транзистора в активном режиме.
Для МДП-транзистора с индуцированным n-каналом при нулевом напряжении на затворе VG = 0 канал между истоком и стоком отсутствует. Для формирования канала необходимо подать напряжение на затвор VG такого знака, чтобы на поверхности полупроводника сформировался инверсионный слой. Для n-канального транзистора (полупроводниковая подложкаp-типа) знак напряжения VG в этом случае должен быть положительным. Напряжение на затворе VG, при котором происходит формирование инверсионного канала, называется пороговым напряжением и обозначается VT. Следовательно, величина напряжения на затворе VG в активной области должна быть больше, чем значение порогового напряжения: 0 < VT < VG.
Напряжение, поданное на сток VDS, вызывает движение электронов в инверсионном слое между истоком и стоком. С точки зрения транзисторного эффекта безразлично, в каком направлении в канале будут двигаться носители. Но в то же время напряжение VDS, приложенное к стоку, - это напряжение, приложенное к стоковому n+-p-переходу. При положительном знаке VDS > 0 это соответствует обратному смещению стокового n+-p-перехода, а при отрицательном знаке VDS < 0 это соответствует прямому смещению p-n-перехода «сток - подложка». В случае прямого смещения p-n-перехода «сток - подложка» в цепи стока будет течь дополнительно к току канала еще и большой ток прямосмещенногоp-n-пе-рехода, что затруднит регистрацию тока канала.
В случае обратного смещения p-n-перехода «сток - подложка» паразитный ток будет составлять наноамперы и будет пренебрежимо мал. Таким образом, знак напряжения на стоке VDS нужно выбирать так, чтобы стоковый переход был смещен в обратном направлении. Для n-канальных транзисторов это условие соответствует VDS > 0, а для p-канальных транзисторов VDS < 0. На рис. 1.6 показана схема p-канального МДП-транзистора в области плавного канала [6].
Рисунок 1.6 - Схема p-канального МДП-транзистора в области плавного канала.
Напряжение, подаваемое на подложку VSS, управляет током в канале через изменение заряда в области обеднения QB, или, что то же самое, через изменение порогового напряжения VT. Для эффективного увеличения ширины области обеднения, следовательно, заряда в области обеднения необходимо подавать обратное смещение на индуцированный электронно-дырочный переход «канал - подложка». Для n-канальных транзисторов это условие соответствует отрицательному знаку напряжения на подложке VSS < 0, а для p-канальных транзисторов - положительному знаку напряжения VSS > 0. На рис. 1.7 приведена схема p-канального МДП-транзистора в области плавного канала при наличии управляющего напряжения на подложке [5].
Рисунок 1.7 - Схема p-канального МДП-транзистора в области плавного канала при наличии напряжения на подложке.
Рассмотрим полевой транзистор со структурой МДП, конфигурация и зонная диаграмма которого приведены на рис. 1.8. Координата z направлена вглубь полупроводника, y - вдоль по длине канала и х - по ширине канала.
Получим вольт-амперную характеристику такого транзистора при следующих предположениях:
1. Токи через р-n-переходы истока, стока и подзатворный диэлектрик равны нулю.
2. Подвижность электронов μn постоянна по глубине и длине L инверсионного канала и не зависит от напряжения на затворе VGS и на стоке VDS.
3. Канал плавный, то есть в области канала нормальная составляющая электрического поля Ez существенно больше тангенциальной Еу [15].
Рисунок 1.8 - Схема МДП-транзистора для расчета токов в области плавного канала и зонная диаграмма в равновесных условиях
Ток в канале МДП-транзистора, изготовленного на подложке р-типа, обусловлен свободными электронами, концентрация которых n(z). Электрическое поле Еу обусловлено напряжением между истоком и стоком VDS. Согласно закону Ома, плотность тока [5].:
(1.2)
где q - заряд электрона, μn - подвижность электронов в канале, V- падение напряжения от истока до точки канала с координатами (x, y, z).
Проинтегрируем (1.2) по ширине x и глубине z канала. Тогда интеграл в левой части (1.2) дает нам полный ток канала IDS, а для правой части получим:
(1.3)
Величина есть полный заряд электронов в канале на единицу площади:
Тогда:
(1.4)
Найдем величину заряда электронов Qn. Для этого запишем уравнение электронейтральности для зарядов в МДП-транзисторе на единицу площади в виде [3]:
Qm= Qox + Qn+ QB. (1.5)
Согласно (1.5), заряд на металлическом электроде Qm уравновешивается суммой зарядов свободных электронов Qn и ионизованных акцепторов QB в полупроводнике и встроенного заряда в окисле Qox. [10].
Рисунок 1.9 - Расположение зарядов в МДП-транзисторе.
На рис. 1.9 приведена схема расположения этих зарядов. Из определения геометрической емкости окисла Сox следует, что полный заряд на металлической обкладке МДП-конденсатора Qm равен:
Qm=Cox·Vox, (1.6)
где Vox - падение напряжения на окисном слое, Сox - удельная емкость подзатворного диэлектрика.
Поскольку падение напряжения в окисле равно Vox, в полупроводнике равно поверхностному потенциалу ψs, а полное приложенное к затвору напряжение VGS, то:
VGS-Δφms= Vox + ψs= Vox + ψs0+ V(y), (1.7)
где Δφms - разность работ выхода металл - полупроводник, ψs0 - величина поверхностного потенциала в равновесных условиях, т. е. при напряжении стока VDS = 0.
Из (1.5) - (1.7) следует:
Qn=Qm- Qox-QB= Cox[VGS-Δφms-ψs0 + V(y)] - Qox- QB (1.8)
Поскольку в области сильной инверсии при значительном изменении напряжения на затворе VGS величина поверхностного потенциала меняется слабо, будем в дальнейшем считать ее постоянной и равной потенциалу начала области сильной инверсии ψs0 = 2φ0. Поэтому будем также считать, что заряд акцепторов QB не зависит от поверхностного потенциала. Введем пороговое напряжение VТ как напряжение на затворе VGS, соответствующее открытию канала в равновесных условиях: Vt≡Vgs(ψs = 2φ0, VDS = 0).
При этом Qn(VDS = 0) = 0.
Из (1.8) следует, что [5]:
(1.9)
Тогда с учетом (6.8):
Qn=C[VGS-VT -V(y)]. (1.10)
Подставляя (1.10) в (1.4), разделяя переменные и проведя интегрирование вдоль канала при изменении y от 0 до L, а V(y) от 0 до VDS, получаем:
(1.11)
Уравнение (1.11) описывает вольт-амперную характеристику полевого транзистора в области плавного канала.
1.6 Характеристики МДП-транзистора в области отсечки
Как следует из уравнения (1.10), по мере роста напряжения исток-сток VDS в канале может наступить такой момент, когда произойдет смыкание канала, т. е. заряд электронов в канале в некоторой точке станет равным нулю. Это соответствует условию:
V(y) = Vos-VT≡V*DS (1.12)
Поскольку максимальная величина напряжения V(y) реализуется на стоке, то смыкание канала, или отсечка, первоначально произойдет у стока. Напряжение стока VDS, необходимое для смыкания канала, называется напряжением отсечки V*DS. Величина напряжения отсечки определяется соотношением (1.12). На рис. 1.10 показан канал, отсеченный у стока [5].
Страницы: 1, 2, 3, 4
