ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С МДП СТРУКТУРОЙ Выполнил: Волхов Е.В. Гр

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)МДП-транзисторы 2)МНОП-элементы памяти 3)МДП-транзисторы с плавающим затвором 4)Приборы с зарядовой связью (ПЗС-структуры) 5)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 ψ s.

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: n s > n 0, зоны изогнуты вниз, ψ s > 0 p-тип: p s > p 0, зоны изогнуты вверх, ψ s < 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: p s < n s < n 0, зоны изогнуты вверх, ψ s < 0, 0

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: n s < p s < n 0, зоны изогнуты вверх ψ s < 0, ϕ < |ψ s| < 2 ϕ 0 p-тип: p s 0, ϕ < ψ s < 2 ϕ 0 Рис. 2.3

Сильная инверсия - состояние поверхности полупроводника, когда поверхностная концентрация неосновных носителей больше, чем концентрация основных носителей в квазинейтральном объеме. n-тип: p s > n 0, зоны изогнуты вверх, ψ s 2 ϕ 0 p-тип: n s > p 0, зоны изогнуты вниз, ψ s > 0, ψ s > 2 ϕ 0 Рис. 2.4

Топология и основные элементы МДП- транзистора 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 МДП- транзисторе Для МДП-транзистора с индуцированным каналом при нулевом на- пряжении на затворе V G = 0 канал между истоком и стоком отсутствует. Для формирования канала необходимо подать напряжение на затвор V G такого знака, чтобы на поверхности полупроводника сформировался инверсионный cлой. пороговое напряжение V T - напряжение на затворе V G, при котором происходит формирование инверсионного канала.

МДП-транзистор с индуцированным каналом: Рис. 4

Напряжение, поданное на сток V DS, 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 V DS, приложенное к стоку, это напряжение, приложенное к стоковому p+-n переходу. При положительном знаке V DS > 0 это соответствует прямому смещению стокового p+-n перехода, а при отрицательном знаке V DS < 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 V SS, управляет током в канале через изменение заряда в области обеднения Q B, или, что то же самое, через изменение порогового напряжения V T. Для эффективного увеличения ширины области обеднения, следовательно заряда в области обеднения, необходимо подавать обратное смещение на индуцированный электронно-дырочный пе- реход «канал – подложка». Для n-канальных транзисторов это условие соответствует отрицательному знаку напряжения на подложке V SS < 0, а для p-канальных транзисторов – положительному знаку напряжения V SS > 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 V SS происходит расширение области пространственного заряда между инверсионным каналом и квазинейтральным объемом, и для n- канального транзистора увеличение заряда ионизованных акцепторов :

Поскольку напряжение на затворе V GS постоянно, то постоянен и заряд на затворе МДП-транзистора Qm. Следовательно, из уравнения электронейтральности вытекает, что если заряд акцепторов в слое обеднения Q B вырос,заряд электронов в канале Qn должен уменьшиться. С этой точки зрения под- ложка выступает как второй затвор МДП-транзистора, поскольку регулирует также сопротивление инверсионного канала между истоком и стоком.

Транзисторный эффект Изменяя величину напряжения на затворе V G 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 V DS вызовет изменяющийся в соответствии с изменением сопротивления канала Ri ток стока I DS, и тем самым Будет реализован транзисторный эффект. Ток в цепи «затвор – канал» – I G. 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 направ- лена вглубь полупроводника, y – вдоль по длине канала и х – по ширине ка- нала. Получим вольт-амперную характеристику такого транзистора при сле- дующих предположениях: 1. Токи через р-n переходы истока, стока и подзатворный диэлектрик равны нулю. 2. Подвижность электронов μ n постоянна по глубине и длине L инверси- онного 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). Электри- ческое поле Еу обусловлено напряжением между истоком и стоком V DS. Со- гласно закону Ома, плотность тока: Проинтегрируя по ширине x и глубине z канала получим: (1) (2)

уравнение электронейтральности: Qм= Qох + Qт + Q B 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 V ox – падение напряжения на окисном слое С ox – удельная емкость подзатворного диэлектрика падение напряжения в окисле равно V ox, в полупроводнике равно поверхностному потенциалу ψ s, а полное приложенное к затвору на- пряжение V GS, то Δφ ms – разность работ выхода металл – полупроводник ψ s0 – величина поверхностного потенциала в равновесных условиях, т.е. при напряжении стока V DS = 0. (3)

Будем считать что: ψ s0 = 2φ0 Q B не зависит от поверхностного потенциала. V Т - напряжение на затворе VGS, соответствующее открытию канала в равновесных условиях VT VGS(ψs = 2φ0, VDS = 0). вольт-амперная характеристика полевого транзистора в области плавного канала: (4) (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 V DS, 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 V SS на переходные характеристики транзистора в области плавного канала V DS = 0,1 В: Рис. 7.3

Влияние типа канала на вольт-амперные характеристики МДП-транзисторов В том случае, если при нулевом напряжении на затворе V G = 0 инверсионный канал отсутствует, а по мере увеличения напряжения на затворе V G > V T появляется, такой инверсионный канал называют индуцированным. В том случае, если при нулевом напряжении на затворе V G = 0 инверсионный канал уже сформирован, такой инверсионный канал называют встроенным.

Рис. 8

Малосигнальные параметры крутизна внутреннее сопротивление Коэффициент усиления (8) (10) (9)

в области плавного канала: Таким образом, необходимо отметить, что полевой МДП-транзистор как усилитель не может быть использован в области плавного канала. В области отсечки: (11) (12)

Подпороговые характеристики МДП-транзистора: Рис. 9

Рис. 10

Спасибо за внимание!