Проходные и Проходные и переходные переходные

характеристики характеристики МДП-транзистораМДП-транзистора

Трифонова Н.Трифонова Н.

Харлукова О.Харлукова О.

гр. 21302гр. 21302

Полевой транзистор с Полевой транзистор с изолированным затвором - изолированным затвором - это полевой транзистор, это полевой транзистор, затвор которого отделен в затвор которого отделен в электрическом отношении электрическом отношении от канала слоем от канала слоем диэлектрика. Полевой диэлектрика. Полевой транзистор с транзистор с изолированным затвором изолированным затвором состоит из пластины состоит из пластины полупроводника (подложки) полупроводника (подложки) с относительно высоким с относительно высоким удельным сопротивлением, удельным сопротивлением, в которой созданы две в которой созданы две области с противоположным области с противоположным типом электропроводности). типом электропроводности). На эти области нанесены На эти области нанесены металлические электроды - металлические электроды - исток и сток. Поверхность исток и сток. Поверхность полупроводника между полупроводника между истоком и стоком покрыта истоком и стоком покрыта тонким слоем диэлектрика тонким слоем диэлектрика (обычно слоем оксида (обычно слоем оксида кремния). На слой кремния). На слой диэлектрика нанесен диэлектрика нанесен металлический электрод - металлический электрод - затвор. Получается затвор. Получается структура, состоящая из структура, состоящая из металла, диэлектрика и металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с полевые транзисторы с изолированным затвором изолированным затвором часто называют МДП- часто называют МДП- транзисторами или МОП- транзисторами или МОП- транзисторами (металл - транзисторами (металл - оксид- полупроводник).оксид- полупроводник).

Физическая основа МДП-Физическая основа МДП-транзисторатранзистора

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

Зонная диаграмма МДП-Зонная диаграмма МДП-структуры:структуры:аа  ––  обогащение, обогащение, VVG G >>  0, 0, ψψs s >>  0; 0; бб – обеднение,  – обеднение, VVG G <<  0, 0, ψψs s <<  0, ; 0, ; вв  ––  инверсия, инверсия, VVG G <<<<  0, 0, ψψs s <<  0, – слабая инверсия0, – слабая инверсия

1)1)  ОбогащениеОбогащение основными носителями. основными носителями. Этому состоянию соответствует знак Этому состоянию соответствует знак напряжения на металлическом электроде напряжения на металлическом электроде (затворе), притягивающий основные (затворе), притягивающий основные носители (для носители (для nn‑типа, ‑типа, VVG G >>  0) (рис.0) (рис.  1а).1а).

2)2)  ОбеднениеОбеднение основными носителями. основными носителями. Этому состоянию соответствует Этому состоянию соответствует небольшое по величине напряжение, небольшое по величине напряжение, отталкивающее основные носители (для отталкивающее основные носители (для nn‑типа, ‑типа, VVG G <<  0) (рис.0) (рис.  1б).1б).

3)3)  ИнверсияИнверсия типа проводимости. Такому типа проводимости. Такому состоянию соответствует большое по состоянию соответствует большое по величине напряжение на затворе, величине напряжение на затворе, соответствующее значитель ным изгибам соответствующее значитель ным изгибам зон и вызывающее обогащение зон и вызывающее обогащение поверхности неосновными носи телями поверхности неосновными носи телями заряда (для заряда (для nn‑типа, ‑типа, VVG G <<<<  0) (рис.0) (рис.  1в).1в).

Полевые транзисторы в активном режиме могут работать Полевые транзисторы в активном режиме могут работать только в области слабой или сильной инверсии, т.е. в том только в области слабой или сильной инверсии, т.е. в том случае, когда инверсионный канал между истоком и случае, когда инверсионный канал между истоком и стоком отделен от объема подложки слоем обеднения. стоком отделен от объема подложки слоем обеднения.

Когда на поверхности полупроводника сформировался Когда на поверхности полупроводника сформировался инверсионный канал, величина концентрации неосновных инверсионный канал, величина концентрации неосновных носителей заряда (дырок) в инверсионных каналах равна носителей заряда (дырок) в инверсионных каналах равна концентрации основных носителей (электронов) в объеме концентрации основных носителей (электронов) в объеме полупроводника. При этом величина поверхностного полупроводника. При этом величина поверхностного потенциала потенциала ψψss равна равна ψψs s ==  22φφ0, где0, где φ φ00  ––  расстояние от расстояние от середины запрещенной зоны до уровня Ферми в середины запрещенной зоны до уровня Ферми в квазинейтральном объеме. Изменяя величину напряжения квазинейтральном объеме. Изменяя величину напряжения на затворе, можно менять концентрацию дырок в на затворе, можно менять концентрацию дырок в инверсионном канале, и тем самым модулировать его инверсионном канале, и тем самым модулировать его проводимость. При этом дырки в канале отделены от проводимость. При этом дырки в канале отделены от свободных носителей в объеме полупроводника областью свободных носителей в объеме полупроводника областью пространственного заряда.пространственного заряда.

Характеристики МОП ПТ в области Характеристики МОП ПТ в области плавного каналаплавного канала

Ток в канале МДП-транзистора, изготовленного на Ток в канале МДП-транзистора, изготовленного на подложке подложке nn‑типа, обусловлен свободными дырками, ‑типа, обусловлен свободными дырками, концентрация которых концентрация которых rr. Электрическое поле . Электрическое поле ЕЕy y обсловлено напряжением между стоком и истоком обсловлено напряжением между стоком и истоком VVdd. Согласно закону Ома плотность тока канала. Согласно закону Ома плотность тока канала

где где qq – заряд электрона, – заряд электрона, μμp p – подвижность и – подвижность и pp((xx) – концентрация дырок в канале. ) – концентрация дырок в канале.

Проинтегрировав предыдущую формулу Проинтегрировав предыдущую формулу по ширине по ширине zz и глубине и глубине xx канала. Тогда канала. Тогда интеграл в левой части дает полный ток интеграл в левой части дает полный ток канала канала IIdd, а для правой получим, а для правой получим

Величина под интегралом есть Величина под интегралом есть полный заряд дырок полный заряд дырок QQpp в канале на в канале на единицу площади. Тогдаединицу площади. Тогда

МДП транзистора в области МДП транзистора в области плавного каналаплавного канала

Эффект смещения подложкиЭффект смещения подложки

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

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

Поскольку напряжение на затворе Поскольку напряжение на затворе VGSVGS постоянно, то постоянен и заряд на затворе постоянно, то постоянен и заряд на затворе МДП-транзистора МДП-транзистора QmQm. Следовательно, из . Следовательно, из уравнения электронейтральности вытекает, уравнения электронейтральности вытекает, что если заряд акцепторов в слое обеднения что если заряд акцепторов в слое обеднения QBQB вырос, заряд электронов в канале вырос, заряд электронов в канале QnQn должен уменьшиться. С этой точки зрения должен уменьшиться. С этой точки зрения подложка выступает как второй затвор МДП-подложка выступает как второй затвор МДП-транзистора, поскольку регулирует также транзистора, поскольку регулирует также сопротивление инверсионного канала между сопротивление инверсионного канала между истоком и стоком. При возрастании заряда истоком и стоком. При возрастании заряда акцепторов в слое обеднения возрастает и акцепторов в слое обеднения возрастает и пороговое напряжение транзистора пороговое напряжение транзистора VTVT. . Изменение порогового напряжения будет Изменение порогового напряжения будет равноравно

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

ВАХ МДП-транзистора в области ВАХ МДП-транзистора в области слабой и сильной инверсиислабой и сильной инверсии

Соотношение ВАХ МДП-транзистора для области слабой инверсииСоотношение ВАХ МДП-транзистора для области слабой инверсии

В области слабой инверсии зависимость тока стока В области слабой инверсии зависимость тока стока IdsIds от напряжения на затворе от напряжения на затворе Vgs Vgs- экспоненциальная - экспоненциальная функция . Ток стока не зависит практически от функция . Ток стока не зависит практически от напряжения на стоке, выходя на насыщение при напряжения на стоке, выходя на насыщение при напряжениях исток-сток напряжениях исток-сток VdsVds порядка долей вольта. порядка долей вольта. При При NssNss-->>0 ток канала имеет диффузионный 0 ток канала имеет диффузионный характер. Когда МДП-транзистор работает при характер. Когда МДП-транзистор работает при напряжении на затворе напряжении на затворе VgsVgs больше порогового больше порогового напряжения напряжения VtVt и напряжениях на стоке и напряжениях на стоке VdsVds больше больше напряжения отсечки напряжения отсечки Vds*Vds* . .

Точка отсечки соответствует переходу от области Точка отсечки соответствует переходу от области сильной к области слабой инверсии. Слева от точки сильной к области слабой инверсии. Слева от точки отсечки в сторону к истоку канал находиться в отсечки в сторону к истоку канал находиться в области сильной инверсии , ток дрейфовый , заряд области сильной инверсии , ток дрейфовый , заряд свободных электронов постоянен по всему каналу. свободных электронов постоянен по всему каналу. Справа в сторону к стока область канала находиться Справа в сторону к стока область канала находиться в слабо инверсионном состоянии, ток в слабо инверсионном состоянии, ток диффузионный, заряд свободных электронов диффузионный, заряд свободных электронов

линейно изменяется вдоль инверсионного канала.линейно изменяется вдоль инверсионного канала.

Влияние напряжения смещения канал-Влияние напряжения смещения канал-подложка подложка VVSSSS на проходные на проходные характеристики транзистора в области характеристики транзистора в области плавного канала плавного канала VVDSDS=0.1 B=0.1 B

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