Проходные и переходные характеристики МДП- транзистора Трифонова Н. Харлукова О. гр. 21302. - презентация

1

2 Проходные и переходные характеристики МДП- транзистора Трифонова Н. Харлукова О. гр

3 Полевой транзистор с изолированным затвором - это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. Полевой транзистор с изолированным затвором 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 МДП- транзисторами или МОП- транзисторами (металл - оксид- полупроводник). Полевой транзистор с изолированным затвором - это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. Полевой транзистор с изолированным затвором 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 МДП- транзисторами или МОП- транзисторами (металл - оксид- полупроводник).

4 Физическая основа МДП-транзистора Физической основой работы МДП транзистора является эффект поля, который состоит в изменении концентрации свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля. В структурах металл – диэлектрик – полупроводник внешнее поле обусловлено приложенным напряжением на металлический электрод (затвор) относительно полупроводниковой подложки. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения различают три состояния приповерхностной области полупроводника. Физической основой работы МДП транзистора является эффект поля, который состоит в изменении концентрации свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля. В структурах металл – диэлектрик – полупроводник внешнее поле обусловлено приложенным напряжением на металлический электрод (затвор) относительно полупроводниковой подложки. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения различают три состояния приповерхностной области полупроводника.

5 Зонная диаграмма МДП- структуры: а – обогащение, VG > 0, ψs > 0; б – обеднение, VG 0, ψs > 0; б – обеднение, VG < 0, ψs < 0, ; в – инверсия, VG

6 1) Обогащение основными носителями. Этому состоянию соответствует знак напряжения на металлическом электроде (затворе), притягивающий основные носители (для n типа, VG > 0) (рис. 1а). 1) Обогащение основными носителями. Этому состоянию соответствует знак напряжения на металлическом электроде (затворе), притягивающий основные носители (для n типа, VG > 0) (рис. 1а). 2) Обеднение основными носителями. Этому состоянию соответствует небольшое по величине напряжение, отталкивающее основные носители (для n типа, VG < 0) (рис. 1б). 2) Обеднение основными носителями. Этому состоянию соответствует небольшое по величине напряжение, отталкивающее основные носители (для n типа, VG < 0) (рис. 1б). 3) Инверсия типа проводимости. Такому состоянию соответствует большое по величине напряжение на затворе, соответствующее значитель­ным изгибам зон и вызывающее обогащение поверхности неосновными носи­ телями заряда (для n типа, VG

7 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 объема подложки слоем обеднения. 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 объема подложки слоем обеднения. Когда на поверхности полупроводника сформировался инверсионный канал, величина концентрации неосновных носителей заряда (дырок) в инверсионных каналах равна концентрации основных носителей (электронов) в объеме полупроводника. При этом величина поверхностного потенциала ψs равна ψs = 2φ0, где φ0 – расстояние от середины запрещенной зоны до уровня Ферми в квазинейтральном объеме. Изменяя величину напряжения на затворе, можно менять концентрацию дырок в инверсионном канале, и тем самым модулировать его проводимость. При этом дырки в канале отделены от свободных носителей в объеме полупроводника областью пространственного заряда. Когда на поверхности полупроводника сформировался инверсионный канал, величина концентрации неосновных носителей заряда (дырок) в инверсионных каналах равна концентрации основных носителей (электронов) в объеме полупроводника. При этом величина поверхностного потенциала ψs равна ψs = 2φ0, где φ0 – расстояние от середины запрещенной зоны до уровня Ферми в квазинейтральном объеме. Изменяя величину напряжения на затворе, можно менять концентрацию дырок в инверсионном канале, и тем самым модулировать его проводимость. При этом дырки в канале отделены от свободных носителей в объеме полупроводника областью пространственного заряда.

8 Характеристики МОП ПТ в области плавного канала Ток в канале МДП-транзистора, изготовленного на подложке n типа, обусловлен свободными дырками, концентрация которых r. Электрическое поле Еy обсловлено напряжением между стоком и истоком Vd. Согласно закону Ома плотность тока канала Ток в канале МДП-транзистора, изготовленного на подложке n типа, обусловлен свободными дырками, концентрация которых r. Электрическое поле Еy обсловлено напряжением между стоком и истоком Vd. Согласно закону Ома плотность тока канала где q – заряд электрона, μp – подвижность и p(x) – концентрация дырок в канале.

9 Проинтегрировав предыдущую формулу по ширине z и глубине x канала. Тогда интеграл в левой части дает полный ток канала Id, а для правой получим Величина под интегралом есть полный заряд дырок Qp в канале на единицу площади. Тогда Величина под интегралом есть полный заряд дырок Qp в канале на единицу площади. Тогда

10 МДП транзистора в области плавного канала

11 Эффект смещения подложки При приложении напряжения между истоком и подложкой при условии наличия инверсионного канала падает это напряжение падает на обедненную область индуцированного p-n перехода. В этом случае при прямом его смещении будут наблюдаться значительные токи, соответствующие прямым токам p-n перехода. При попадании таких токов в сток транзистор прекращает работу. Поэтому используется только напряжение подложки противоположного знака по сравнению с напряжением стока. При приложении напряжения между истоком и подложкой при условии наличия инверсионного канала падает это напряжение падает на обедненную область индуцированного p-n перехода. В этом случае при прямом его смещении будут наблюдаться значительные токи, соответствующие прямым токам p-n перехода. При попадании таких токов в сток транзистор прекращает работу. Поэтому используется только напряжение подложки противоположного знака по сравнению с напряжением стока.

12 При приложении напряжения канал- подложка происходит расширение ОПЗ и увеличение заряда ионизованных акцепторов

13 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. При возрастании заряда акцепторов в слое обеднения возрастает и пороговое напряжение транзистора VT. Изменение порогового напряжения будет равно

14 Поскольку смещение подложки приводит только к изменению порогового напряжения VT, то переходные характеристики МДП- транзистора при различных напряжениях подложки VSS смещаются параллельно друг другу.

15 ВАХ МДП-транзистора в области слабой и сильной инверсии Соотношение ВАХ МДП-транзистора для области слабой инверсии Соотношение ВАХ МДП-транзистора для области слабой инверсии

16 В области слабой инверсии зависимость тока стока Ids от напряжения на затворе Vgs- экспоненциальная функция. Ток стока не зависит практически от напряжения на стоке, выходя на насыщение при напряжениях исток-сток Vds порядка долей вольта. При Nss->0 ток канала имеет диффузионный характер. Когда МДП-транзистор работает при напряжении на затворе Vgs больше порогового напряжения Vt и напряжениях на стоке Vds больше напряжения отсечки Vds*. В области слабой инверсии зависимость тока стока Ids от напряжения на затворе Vgs- экспоненциальная функция. Ток стока не зависит практически от напряжения на стоке, выходя на насыщение при напряжениях исток-сток Vds порядка долей вольта. При Nss->0 ток канала имеет диффузионный характер. Когда МДП-транзистор работает при напряжении на затворе Vgs больше порогового напряжения Vt и напряжениях на стоке Vds больше напряжения отсечки Vds*. Точка отсечки соответствует переходу от области сильной к области слабой инверсии. Слева от точки отсечки в сторону к истоку канал находиться в области сильной инверсии, ток дрейфовый, заряд свободных электронов постоянен по всему каналу. Справа в сторону к стока область канала находиться в слабо инверсионном состоянии, ток диффузионный, заряд свободных электронов линейно изменяется вдоль инверсионного канала.

17 Влияние напряжения смещения канал- подложка V SS на проходные характеристики транзистора в области плавного канала V DS =0.1 B Влияние напряжения смещения канал- подложка V SS на проходные характеристики транзистора в области плавного канала V DS =0.1 B

18 Переходные характеристики МДП-транзистора при нулевом и -10В напряжении канал-подложка Переходные характеристики МДП-транзистора при нулевом и -10В напряжении канал-подложка