МДП транзистор

Типы полевых транзисторов
1. с изолированным затвором
- МДП - транзисторы
- МНОП – элементы памяти
- МДП – транзисторы с плавающим
затвором
- Приборы с зарядовой связью (ПЗС
структуры)
- МДП - фотоприемники
Типы полевых транзисторов
2. с затвором в виде p-n-перехода
- с затвором в виде барьера Шоттки
- с затвором в виде обычного p-nперехода
- с затвором в виде гетероперехода
Устройство МДП - транзистора
Полевой транзистор состоит из
пластины полупроводника
(подложки) с относительно высоким
удельным сопротивлением, в
которой созданы две области с
противоположным типом
электропроводности). На эти
области нанесены металлические
электроды - исток и сток.
Поверхность полупроводника
между истоком и стоком покрыта
тонким слоем диэлектрика
(обычно слоем оксида кремния).
На слой диэлектрика нанесен металлический электрод - затвор. Получается
структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому
полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДПтранзисторами или МОП- транзисторами (металл - оксид- полупроводник).
Зонная диаграмма: обогащение
Обогащение основными носителями.
Этому состоянию соответствует знак
напряжения на металлическом
электроде (затворе), притягивающий
основные носители (для n-типа, Vg>0)
Vg>0,ψs>0
Зонная диаграмма: обеднение
Обеднение основными носителями.
Этому состоянию соответствует
небольшое по величине напряжение,
отталкивающее основные носители
(для n-типа,Vg<0) ,Vg<0, ψs<0, |ψs|<|φ0|
Зонная диаграмма: инверсия
Инверсия типа проводимости.
Такому состоянию соответствует
большое по величине напряжение на
затворе, соответствующее
значительным изгибам зон и
вызывающее обогащение
поверхности неосновными
носителями заряда (для nтипа,Vg<<0),
Vg<<0, ψs<0,|φ0|<|ψs|<|2φ0| -слабая
инверсия,|ψs|>|2φ0|-сильная
инверсия.
МДП - транзистор со встроенным каналом
В МДП - транзисторах со
встроенным каналом есть
специальный встроенный канал,
проводимость которого
модулируется смещением на
затворе. В случае канала p типа
положительный канал отталкивает
дырки из канала (режим
обеднения), а отрицательный
притягивает(режим обогащения).
Соответственно проводимость
канала либо уменьшается, либо
увеличивается по сравнению с ее
значением при нулевом смещении.
МДП - транзистор с индуцированным
каналом
МДП-транзисторах с
индуцированным каналом
проводящий канал между
сильнолегированными областями
истока и стока и, следовательно,
заметный ток стока появляются
только при определенной
полярности и при определенном
значении напряжения на затворе
относительно истока
(отрицательного при р-канале и
положительного при п-канале). Это
напряжение называют пороговым
(VT).
Работа транзистора
в области плавного канала
в области отсечки
С ростом напряжения стока Vd точка
канала соответствующая отсечке
сдвигается от стока к истоку.
Характеристики транзистора
Проходная ВАХ.
Зависимость тока стока Id от
напряжения на стоке Vd при
разных Vg. Отмечены значения
напряжения стока, равные
напряжению отсечки Vdsat.
Переходная ВАХ.
Зависимость тока стока Id от
напряжения на затворе Vg в области
плавного канала. Пунктиром указано
напряжение затвора,
соответствующее
экстраполированному к нулю
значению тока стока.
Определение параметров транзистора из
характеристик
Тангенс угла наклона tg(α)
зависимости IDS1/2(VGS) определит
величину подвижности μn:
tg(α) зависимости
определяет концентрацию
легирующей примеси
Эффективная глубина z,
соответствующая данному
легированию, равна:
Влияние типа канала на ВАХ МДП транзисторов
Эффект смещения подложки
При приложении напряжения канал-подложка происходит
расширение ОПЗ и увеличение заряда ионизованных
акцепторов:
Переходная ВАХ
Проходная ВАХ
Vss=0 B, --- Vss= -10 B
Малосигнальные параметры
Крутизна переходной характеристики S
Внутреннее сопротивление Ri
Коэффициент усиления μ
В области плавного канала
Полевой МДП-транзистор как усилитель не может быть
использован в области плавного канала, но его можно
использовать как линейный резистор с сопротивлением R0
В области отсечки
в – удельная крутизна
Эквивалентная схема и быстродействие
МДП - транзистора
Rвх сопротивление подзатворного диэлектрика
Свх - емкостью подзатворного диэлектрика и емкостью перекрытия
затвор-исток
Спар паразитная емкость перекрытий затвор-сток
Rвых сопротивление канала транзистора и сопротивление
легированных областей истока и стока
Свых емкость р-n перехода стока
Пример: μn = 500 см2/В·с, длина канала L = 10 мкм = 10-3 см, напряжение
питания Vпит = 10 В. Получаем, что максимальная частота для МДПтранзистора составляет величину порядка fмакс ≈ 1 ГГц.
Для повышения быстродействия необходимо переходить на субмикронные
длины канала.
Топологические реализации МДП транзисторов
Методом двойной диффузии
В окно под областью
истока проводится
диффузия примеси
p-типа с низкой
концентрацией. Затем в
окна истока и стока
проводится диффузия
примеси n-типа с высокой
концентрацией.
Получается МДП - прибор с субмикронной длиной канала, имеющей
неравномерное распределение концентрации легирующей примеси по
длине канала.
Транзисторы с V-образными канавками
В основе изготовления заложено
вертикальное анизотропное
травление
кремния с ориентацией (110), что
позволяет формировать в
эпитаксиальном слое
V-образные области.
Роль истока и стока играют сильнолегированные n+-области, а область канала
находится между ними. V-МОП-технология позволяет реализовать компактную
ячейку, содержащую V-МДП-транзистор, n-МДП - транзистор и нагрузочный
резистор.
Технология « кремний на изоляторе»
В этой технологии на
сапфире эпитаксиально
выращивались тонкие слои
монокристаллического
кремния, из которых
методами планарной
технологии формировались
изолированные кремниевые
«островки».
В этих заготовках затем формировались обычные МДП-транзисторы.
Особенностью КНС-технологии является отсутствие паразитных связей через
подложку между отдельными МДП-транзисторами при объединении их на
одном кристалле в интегральную схему.
Размерные эффекты в МДП - транзисторах
Модель МОП ПТ, учитывающая эффект короткого
канала
Этот эффект приводит к тому, что
заряд на металлическом затворе,
необходимый для создания
обедненного слоя, уменьшается,
следовательно, уменьшается и
пороговое напряжение VT. Как
видно из геометрического
рассмотрения, при аппроксимации
формы заряда в обедненной
области трапецией эффективный
заряд в области обеднения будет
равен:
где l, QB - ширина и заряд обедненной области,
определенные ранее, xJ - глубина p-n+ перехода.
Размерные эффекты в МДП-транзисторах
Чем больше соотношение толщин между толстым и
тонким окислом, тем больше область перехода и
тем выше пороговое напряжение. Чем уже канал,
тем больше изменения порогового напряжения. В
пределе, когда ширина канала стремится к нулю,
пороговое напряжение приближается к пороговому
напряжению для структур с толстым окислом.
Предполагая эту область цилиндрической, для
полного заряда в области объединения получаем:
Модель МОП ПТ, учитывающая эффект
короткого канала
На величину подвижности носителей μn в канале в основном влияет уменьшение длины канала. В этом
случае возрастает величина тянущего электрического поля, происходят разогрев носителей и
уменьшение подвижности μn.
где μn - подвижность электронов в МДП-транзисторах с длинным каналом.
Множитель α, определенный экспериментально, составил α = 0,35 мкм.
МДП - транзистор как элемент памяти
Рассмотрим RC-цепочку, состоящую из
последовательно соединенных нагрузочного
сопротивления RH ≈ 1 МОм и полевого транзистора
с изолированным затвором, приведенную на
рисунке а, б.
 Если в такой схеме МДП-транзистор открыт,
сопротивление его канала составляет десятки или
сотни Oм, все напряжение питания падает на
нагрузочном сопротивлении RН и выходное
напряжение Uвых близко к нулю.
Если МДП-транзистор при таком соединении
закрыт, сопротивление между областями истока и
стока велико (сопротивление р-n перехода при
обратном включении), все напряжение питания
падает на транзисторе и выходное напряжение Uвых
близко к напряжению питания Uпит.
Полевой транзистор с затвором в виде рn перехода
Омические контакты к левой и
правой граням полупроводниковой
подложки будут являться истоком и
стоком, область квазинейтрального
объема, заключенная между
обедненными областями р-n
переходов - каналом, а сильно
легированные n+ области сверху и
снизу - затвором полевого
транзистора
При приложении напряжения VGS к затвору ПТ, обеспечивающего обратное смещение
р-n перехода (VGS > 0), происходит расширение обедненной области р-n перехода в
полупроводниковую подложку, поскольку затвор легирован существенно сильнее, чем
подложка (ND >> NA). При этом уменьшается поперечное сечение канала, а
следовательно, увеличивается его сопротивление. Приложенное напряжение истоксток VDS вызовет ток в цепи канала полевого транзистора. Знак напряжения VDS
необходимо выбирать таким образом, чтобы оно также вызывало обратное смещение
затворного р-n перехода, то есть было бы противоположно по знаку напряжению VGS.
Таким образом, полевой транзистор с затвором в виде р-n перехода представляет
собой сопротивление, величина которого регулируется внешним напряжением.
Полевой транзистор с затвором в виде рn перехода
Где y – ось вдоль канала
x – ось по ширине канала
z – ось по глубине канала
L – длинa канала
W – ширина канала
Н (VGS = VDS = 0) - высота
канала при отсутствии
напряжения на транзисторе
как L, W, Н (VGS = VDS = 0)
VDS – напряжение исток-сток
VGS – напряжение на затворе
IDS – ток исток-сток
Полевой транзистор с затвором в виде рn перехода
Вольт-амперные характеристики в ПТ с затвором в виде р-n перехода
Характеристики транзистора КП302Б:
а) выходные характеристики; б) начальные участки выходных характеристик
Достоинства по сравнению с биполярными
транзисторами:
- высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой
частоте, отсюда и малые потери на управление;
- высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и
рассасывания неосновных носителей);
- почти полная электрическая развязка входных и выходных цепей, малая
проходная ёмкость;
- квадратичность вольт - амперной характеристики (аналогична триоду);
- высокая температурная стабильность;
- малый уровень шумов.
Недостатки:
- Вследствие высокого сопротивления канала в открытом
состоянии МДП-транзисторы имеют большее падение напряжения,
чем падение напряжения на насыщенном биполярном транзисторе;
- МДП-транзисторы имеют существенно меньшее значение
предельной температуры структуры, равное 150°C (для
биполярных транзисторов 200°C).
Презентацию сделали студенты гр. 21302:
Григорьев Г.С.
Лексашов Д.Г.
Фролов А.А.