ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С МДП СТРУКТУРОЙ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
С МДП СТРУКТУРОЙ
Выполнил:
Волхов Е.В.
Гр. 21302
Типы и устройство полевых транзисторов
Полевые, или униполярные, транзисторы в качестве
основного физического принципа используют эффект поля. В
зависимости от условий реализации эффекта поля полевые
транзисторы делятся на два класса:
полевые транзисторы с изолированным затвором:
1)
2)
3)
4)
5)
МДП-транзисторы
МНОП-элементы памяти
МДП-транзисторы с плавающим затвором
Приборы с зарядовой связью (ПЗС-структуры)
МДП-фотоприемники
полевые транзисторы с затвором в виде p-n перехода:
1) с затвором в виде барьера Шоттки
2) с затвором в виде обычного p-n перехода
3) с затвором в виде гетероперехода
Эффект поля
Эффект поля – это изменение концентрации свободных
носителей в приповерхностной области полупроводника под
действием внешнего электрического поля.
Поскольку заряд свободных носителей или ионизованных доноров
пространственно распределен в приповерхностной области
полупроводника и эта область не является электронейтральной,
она получила название область пространственного заряда (ОПЗ).
В случае реализации эффекта поля источником внешнего
электрического поля могут быть заряды на металлических
пластинах вблизи поверхности полупроводника, заряды на границе
и в объеме диэлектрического покрытия.
Наличие электрического поля E(x) в ОПЗ меняет величину
потенциальной энергии электрона в этой области. Величина
разности потенциалов между квазинейтральным объемом и
произвольной точкой ОПЗ получила название электростатического
потенциала.
Значение электростатического потенциала на поверхности
полупроводника называется поверхностным потенциалом и
обозначается ψs.
Изменение концентрации свободных
носителей в приповерхностной области
полупроводника n-типа при наличии вблизи
поверхности заряженной металлической
плоскости.
Обогащение
концентрация свободных носителей в
приповерхностной области возрастает:
Рис. 1
Обеднение
концентрация свободных носителей в
приповерхностной области уменьшается:
Рис. 1.1
Энергетические зоны на поверхности
полупроводника n-типа:
Рис. 2
В зависимости от направления и величины внешнего
электрического поля, типа полупроводниковой подложки
различают 4 различных состояния поверхности полупроводника:
•
•
•
•
обогащение
обеднение
слабая инверсия
сильная инверсия
Обогащение - состояние поверхности полупроводника, когда
поверхностная концентрация основных носителей больше, чем
концентрация основных носителей в нейтральном объеме.
• n-тип: ns > n0, зоны изогнуты вниз, ψs > 0
• p-тип: ps > p0, зоны изогнуты вверх, ψs < 0
Рис. 2.1
Обеднение - состояние поверхности полупроводника, когда поверхностная
концентрация основных носителей меньше, чем концентрация основных
носителей в квазинейтральном объеме, но больше, чем поверхностная
концентрация неосновных носителей
• n-тип: ps < ns < n0, зоны изогнуты вверх, ψs < 0, 0 <|ψs| <ϕ0
• p-тип: ns < ps < p0, зоны изогнуты вниз, ψs > 0 , 0 < ψs <ϕ0
Рис. 2.2
Слабая инверсия - состояние поверхности полупроводника, когда поверхностная
концентрация неосновных носителей больше, чем поверхностная
концентрация основных, но меньше, чем концентрация основных носителей в
квазинейтральном объеме.
• n-тип: ns < ps < n0, зоны изогнуты вверх ψs < 0, ϕ < |ψs| < 2ϕ0
• p-тип: ps < ns < p0, зоны изогнуты вниз ψs > 0, ϕ < ψs < 2ϕ0
Рис. 2.3
Сильная инверсия - состояние поверхности полупроводника, когда поверхностная
концентрация неосновных носителей больше, чем концентрация основных
носителей в квазинейтральном объеме.
• n-тип: ps > n0, зоны изогнуты вверх, ψs < 0, |ψs| > 2ϕ0
• p-тип: ns > p0, зоны изогнуты вниз, ψs > 0, ψs > 2ϕ0
Рис. 2.4
Топология и основные элементы МДПтранзистора
Рис. 3
Рис. 3.1
Подложка - монокристаллический полупроводник n- или p-типа,
на котором изготавливается МДП-транзистор.
исток/сток - две сильнолегированных области противоположного
с подложкой типа проводимости.
канал - область полупроводниковой подложки, находящаяся под
затвором между истоком и стоком.
подзатворный диэлектрик - диэлектрический слой, находящийся
между затвором и каналом.
Принцип работы МДП-транзистора
Полевые транзисторы в активном режиме могут работать
только в области слабой или сильной инверсии, т.е. в том
случае, когда инверсионный канал между истоком и стоком
отделен от квазинейтрального объема подложки областью
обеднения.
Та область в ОПЗ, где суммарная концентрация свободных
носителей электронов и дырок меньше, чем концентрация
ионизованной примеси, называется областью обеднения. Область
в ОПЗ, где концентрация свободных неосновных носителей
больше, чем основных, получила название инверсионного канала.
Выбор знаков напряжений в МДПтранзисторе
Для МДП-транзистора с индуцированным 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 cлой.
пороговое напряжение VT - напряжение на затворе VG, при котором
происходит формирование инверсионного канала.
МДП-транзистор с индуцированным каналом:
Рис. 4
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 p+-n переходу. При положительном знаке VDS > 0 это
соответствует прямому смещению стокового p+-n перехода, а
при отрицательном знаке VDS < 0 это соответствует обратному
смещению p-n Перехода «сток – подложка».
Схема p-канального МДП-транзистора в области плавного канала:
Рис. 4.1
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.
Схема p-канального МДП-транзистора в области плавного канала
при наличии напряжения на подложке:
Рис. 4.2
Эффект смещения подложки
При приложении напряжения канал-подложка VSS происходит
расширение области пространственного заряда между
инверсионным каналом и квазинейтральным объемом, и для nканального транзистора увеличение заряда ионизованных
акцепторов:
Поскольку напряжение на затворе VGS постоянно, то постоянен и
заряд на затворе МДП-транзистора Qm. Следовательно, из
уравнения электронейтральности вытекает, что если заряд
акцепторов в слое обеднения QB вырос,заряд электронов в канале
Qn должен уменьшиться. С этой точки зрения подложка выступает как второй затвор МДП-транзистора, поскольку
регулирует также сопротивление инверсионного канала между
истоком и стоком.
Транзисторный эффект
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.
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.
Характеристики МДП-транзистора в области
плавного канала
Рассмотрим полевой транзистор со структурой МДП, конфигурация и
зонная диаграмма которого приведена на рисунке 5. 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 Еz существенно больше тангенциальной Еy.
Рис. 5
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:
(1)
Проинтегрируя по ширине x и глубине z канала получим:
(2)
уравнение электронейтральности:
Qм= Qох + Qт + QB
•
•
•
•
Qm - заряд на металлическом электроде
Qn – сумма зарядов свободных электронов
QB – сумма зарядов ионизованных акцепторов в полупроводнике
Qox - встроенный заряд в окисле
Расположение зарядов в МДП-транзисторе
рис 5.1
Qм = Cох ⋅Vох
•
•
Vox – падение напряжения на окисном слое
Сox – удельная емкость подзатворного диэлектрика
падение напряжения в окисле равно Vox, в полупроводнике
равно поверхностному потенциалу ψs, а полное приложенное к затвору напряжение VGS, то
(3)
•
•
Δφms – разность работ выхода металл – полупроводник
ψs0 – величина поверхностного потенциала в равновесных условиях, т.е. при
напряжении стока VDS = 0.
Будем считать что:
•ψs0 = 2φ0
•QB не зависит от поверхностного потенциала.
•VТ - напряжение на затворе VGS, соответствующее открытию
канала в равновесных условиях VT ≡ VGS(ψs = 2φ0, VDS = 0).
(4)
вольт-амперная характеристика полевого
транзистора в области плавного канала:
(5)
Характеристики МДП-транзистора в области
отсечки
Поскольку максимальная величина напряжения V(y) реализуется
на стоке, то смыкание канала, или отсечка, первоначально
произойдет у стока.
напряжением отсечки - напряжение стока VDS, необходимое для
смыкания канала
Условие смыкания канала:
(6)
Схема p-канального МДП-транзистора при напряжении на
стоке, равном напряжению отсечки:
Рис. 6
Схема p-канального МДП-транзистора при напряжении на
стоке, большем напряжения отсечки:
Рис. 6.1
Вольтамперная характеристика МДП-транзистора в
области отсечки:
(7)
Проходные характеристики транзистора
Рис. 7
Проходные характеристики МДП-транзистора при нулевом
напряжении VSS = 0 В смещения канал-подложка (сплошные линии) и
при напряжении VSS = -10 В (пунктирные линии):
Рис. 7.1
переходные характеристики:
Рис. 7.2
Влияние напряжения смещения канал-подложка VSS на переходные
характеристики транзистора в области плавного канала VDS = 0,1 В:
Рис. 7.3
Влияние типа канала на вольт-амперные
характеристики МДП-транзисторов
В том случае, если при нулевом напряжении на затворе VG =
0 инверсионный канал отсутствует, а по мере увеличения
напряжения на затворе VG > VT появляется, такой
инверсионный канал называют индуцированным. В том
случае, если при нулевом напряжении на затворе VG = 0
инверсионный канал уже сформирован, такой инверсионный
канал называют встроенным.
Рис. 8
Малосигнальные параметры
крутизна
внутреннее сопротивление
Коэффициент усиления
(8)
(9)
(10)
в области плавного канала:
(11)
Таким образом, необходимо отметить, что полевой
МДП-транзистор как усилитель не может быть
использован в области плавного канала.
В области отсечки:
(12)
Подпороговые характеристики МДП-транзистора:
Рис. 9
Рис. 10
Спасибо за внимание!