Полевые МДП (МОП)-транзисторы с
Изолированным затвором
М - металл, П - полупроводник.
Д(O) - диэлектрик (в современных интегральных схемах в качестве диэлектрика используется окисел кремния SiO2, отсюда и название - МОП).
В МОП-транзисторах затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика (0,2-0,3мкм).
В основе классификации МОП-транзисторов лежат две конструктивные особенности - индуцированный канал и встроенный канал (рис. 3.6 и 3.7 соответственно).
3.2.1. Принцип действия, статические стокозатворные ВАХ
МОП-транзисторов с изолированным затвором
В качестве примера рассмотрим работу полевого МОП-транзистора с «n»-каналом, выполненного на основе кремния, у которого роль диэлектрика выполняет слой SiO2; главная особенность этого слоя состоит в том , что он всегда содержит примеси донорного типа (натрий, калий, водород). Примеси сосредоточены вблизи границы с кремнием, в результате чего в пленке SiO2 образуется тонкий слой положительно заряженных донорных атомов. Отданные ими электроны переходят в приповерхностный слой кремния. Если при этом используется подложка n-типа, то эти электроны создают обогащенный слой, что препятствует образованию p-канала, поэтому у транзисторов с p-каналом требуется большее пороговое напряжение, чем при n-канале.
Рис. 3.6. Структура МОП-транзистора с индуцированным n- каналом
Рис. 3.7. Структура МОП-транзистора со встроенным n- каналом
Имея такое преимущество и, кроме того, являясь более быстродействующими (скорость движения электронов гораздо больше, чем дырок), МОП-транзисторы с n-каналом получили большее распространение.
|
|
|
Как и в канальном у МОП-транзистора управляющим электродом является затвор. Ток в цепи стока будет зависеть от режима, который задан по затвору
1-й режим. Затвор соединен с истоком (Uзи=0).
Ток в цепи стока будет ничтожно мал, так как при заданных условиях между стоком и истоком действуют два встречно включенных p-n+-перехода, и канал фактически отсутствует.
2-й режим. На затвор подано отрицательное напряжение (Uзи < 0).
Приповерхностный слой обогащается дырками, подтянутыми из подложки полем затвора. Тока в цепи стока по-прежнему не будет.
3-й режим. На затвор подано положительное напряжение (Uзи>0).
Приповерхностный слой обогащается носителями - электронами, образуя n-канал. Уровень напряжения на затворе, при котором появляется проводимость в канале, называется пороговым Uо (практически значения полного порогового напряжения лежат в пределах Uo = 0,5-3,5 B . Дальнейшее увеличение положительного напряжения на затворе вызывает рост тока во внешней цепи; ток в цепи стока достигает своего номинального значения при напряжении на затворе примерно равном удвоенному пороговому напряжению (при U зи » 2 U о).
|
|
|
Заключение по режимам:
режим третий является рабочим;
канал, отсутствующий в равновесном состоянии (при отсутствии напряжения на затворе) и образующийся под действием внешнего напряжения (в данном случае - положительного), называется индуцированным
(рис. 3.6). Длина канала равна расстоянию между стоком и истоком (L), а ширина - протяженности слоев стока и истока (Z). Толщина индуцированного канала практически неизменна и составляет 1-2 нм, поэтому модуляция его проводимости возможна лишь за счет изменения концентрации носителей, подтянутых в канал из подложки. Транзисторы с индуцированным n-каналом работают только при положительной полярности напряжения на затворе, то есть в режиме обогащения канала (рис. 3.8, а);
для полевого транзистора с индуцированным каналом параметр напряжения отсечки U отс теряет смысл, а более удобным будет понятие порогового напряжения U о. Так как номинальный ток через транзистор с индуцированным каналом развивается при условии, если напряжение на затворе
U зи » 2 U о, то и максимальная крутизна его достигается при U зи » 2 U о ;
если концентрация электронов, поступившая из диэлектрика, очень высокая, то в подложке p-типа между стоком и истоком образуется n-канал, но он возникает при Uзи = 0, следовательно, такой канал уже нельзя называть индуцированным, и транзистор в этом случае принято называть МОП-транзистором со встроенным каналом (встроенным заранее). Технологически встроенный канал получают с помощью ионного легирования в виде тонкого приповерхностного слоя. Такие транзисторы работают при обеих полярностях напряжения на затворе, то есть в режиме обогащения и обеднения канала (рис. 3.8, б);
|
|
|
|
подложка МОП-транзисторов делается из материала с высоким удельным сопротивлением - для облегчения образования канала и увеличения пробивного напряжения переходов стока и истока;
механизм работы МОП-транзисторов с n- и p-каналами одинаков, а принципиальная разница в свойствах дана выше;
сочетание МОП-транзисторов с n- и p-каналами получило название комплементарных пар, или дополняющих транзисторов (рис. 3.9); при таком включении МОП-транзисторы работают в режиме малого потребления мощности, так как при любой полярности входного сигнала один из транзисторов всегда закрыт и в цепи течет лишь ток неосновных носителей.
|
|
|
|
|
Рис. 3.9. Комплементарная пара на МОП-транзисторах
3.3.2. Стоковые характеристики и параметры МОП-транзисторов
При отсутствии напряжения на стоке (Uси = 0) тока в канале нет: поле в диэлектрике однородное и поперечное сечение канала одинаково по всей его длине. По мере увеличения Uси увеличивается ток стока, меняется структура канала, так как разность потенциалов между затвором и поверхностью в направлении стока начинает уменьшаться, и тогда, когда она станет равной нулю, сформируется горловина канала. Напряжение на стоке при этом называется напряжением насыщения U си.н, а ток, соответствующий ему, - током насыщения (Iсн):
. (3.7)
Дальнейшее изменение напряжения на стоке почти не вызывает прироста тока стока. Таким образом, статическая стоковая характеристика МОП-транзистора при любом типе канала, как и у транзистора с управляемым p-n-переходом, состоит из крутого и пологого участков (рис. 3.10, а, б).
|
Рис. 3.10. Стоковые ВАХ МОП-транзистора: а - с индуцированным каналом; б - со встроенным каналом
В пределах крутого участка ток стока является функцией двух напряжений (Uзи и Uси), а на пологих - функцией одного (напряжения на затворе Uзи). Крутые участки статических стоковых ВАХ используются в импульсном режиме, а пологие - в усилительном.
Использование в импульсном режиме крутых участков ВАХ диктуется необходимостью получения возможно малого остаточного напряжения на открытом транзисторе.
При инженерном проектировании усилительных каскадов достаточную точность расчета обеспечивает следующая аппроксимация вольтамперных характеристик:
а) для крутых участков ВАХ, где U си < U зи - Uo), ток стока является
функцией двух напряжений:
(3.8)
где b - удельная крутизна МОП-транзистора, мА/В2;
где Сo - удельная емкость между металлом и поверхностью полупроводника (затвор-канал), определяет управляющую способность затвора, пФ/мм2:
где d - толщина диэлектрика ( d = 0,1-0,15 мкм).
Ключевые схемы работают на крутых участках ВАХ, то есть при очень малом остаточном напряжении на открытом МОП-транзисторе (порядка
0,1 В и меньше), следовательно, справедливо выражение U си << ( U зи - U о), а потому в формуле (3.8) можно пренебречь квадратичным членом, в результате чего она принимает вид
(3.9)
Сопротивление канала
R 0 = 1 / b(U зи - U 0 ). (3.10)
Как видно из (3.10) сопротивление канала можно регулировать в широких пределах , изменяя напряжение на затворе.
При U си > U син ток стока остается без изменения: I с = I сн , поэтому,подставив в формулу (3.10) значение , получим выражение (3.11) для пологих участков ВАХ;
б) для пологих участков ВАХ
(3.11)
Из выражения (3.11) можно получить значение крутизны МОП-транзистора
S = b(U зи - U 0 ).
За номинальный ток МДП-транзистора принимается ток, соответствующий напряжению на затворе U зи » 2 Uo, следовательно S = bU 0
. (3.12)
При номинальном токе через транзистор напряжение насыщения стока U син = U о .
Примечание 1. Формулы, описывающие крутые и пологие участки вольт-амперных характеристик МОП-транзистора, справедливы для транзисторов, у которых концентрация примеси не превышает 1015см- 3. Если оговаривается более высокая концентрация примеси, то необходимо ввести поправочный коэффициент h в формулу (3.9), описывающую крутую часть стоковой ВАХ.
(3.13)
где 
jпм - контактная разность потенциалов между полупроводником и металлом; а - коэффициент, характеризующий влияние объемного заряда в подложке,
где N - концентрация примеси.
Как только напряжение на стоке достигнет значения насыщения U сн, ток стока становится функцией лишь напряжения на затворе
() и напряжение насыщения
(3.14)
Следовательно, для пологой части ВАХ при высокой концентрации примеси справедливо выражение
(3.15)
Примечание 2. Проведенный анализ ВАХ МОП-транзистора справедлив для наиболее распространенного режима, когда исток транзистора соединен с подложкой. Если между подложкой и истоком приложено напряжение, то возможно «двойное управление током», так как ток стока становится фактически функцией двух напряжений, и в этом случае в формулу (3.15) необходимо внести соответствующую поправку, которая учитывает возможность двойного управления током:
Напряжение между подложкой и истоком Uпи берется по модулю. Как видно из последнего выражения, наличие напряжения между подложкой и истоком равносильно увеличению порогового напряжения.
Преимуществом МОП-транзисторов перед канальными является более высокое быстродействие, что объясняется меньшей длиной его канала.
Недостатком МОП-транзисторов в сравнении с канальными является наличие шумовых флуктуаций и нестабильность характеристик во времени. У канальных транзисторов этот недостаток отсутствует, так как у них канал отделен от поверхности обедненным слоем, что гарантирует отсутствие дефектов кристаллической решетки, загрязнений, поверхностных каналов - все то, что у МОП транзисторов является причиной шумовых флуктуаций и нестабильности характеристик.
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 418; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!