Время образования инверсионного слоя и время переключения транзистора

Время переключения МОП-транзистора — это время, в тече­ние которого он переключается из состояния “0” в состояние “1” или наоборот. Это время определяет быстродействие всех цифро­вых устройств, в состав которых входят МОП-транзисторы, в том числе и самого микропроцессора. Поэтому, чем меньше время переключения МОП-транзистора, тем быстрее работает микро­процессор, т.е. выше его тактовая частота. Тактовая частота мик­ропроцессора — это и есть фактически величина, обратная вре­мени переключения.

Строго говоря, в МОП-транзисторе времена переключения из состояния “0” в состояние “1” и из состояния “1” в состояние “0” не равны друг другу, хотя и сравнимы по своей величине. Рис. 2 и 3, на которых отражены переходные процессы, наблюдаемые в МОП-транзисторе при его переключении, поясняют, какие явле­ния длительностью своего протекания и составляют эти времена. Состояние “0” характеризуется очень маленьким, близким к нулю напряжением на стоке, которое можно обозначить как V_Dост, и относительно большим значением тока, протекающего между истоком и стоком, которое можно определить как I_Dраб. Состояние “1”, соответст­венно, характеризуется рабочим напряжением V_DD, устанавливае­мом на стоке, и отсутствием заметного тока между истоком и сто­ком, т.е. .

Рис. 2. Переходные процессы при переходе из состояния “1” в состояние “0”

Рис. 3. Переходные процессы при переходе из состояния “0” в состояние “1”

Рассмотрим данные переходы на примере n-канального МОП-транзистора. Как известно, в n-ка­нальном приборе включение “0” достигается подачей на затвор положительного напряжения V_G (обычно близкого по величине к V_DD), а включение “1” достигается подачей на затвор нулевого напряжения, т.е. выключением положительного V_G. Следова­тельно, на рис.2 отсчет времени начинается с момента подачи на затвор напряжения V_G, а на рис. 3 — с момента его выключения.

Время перехода из “1” в “0” фактически образуют три вре­мени t₁, t₂ и t₃, отмеченные на рис. 2. С каждым из этих времен связан свой физический процесс, протекающий в МОП-транзи­сторе. t₁ есть время, за которое искривятся зоны в подзатворном окисле и кремнии у поверхности раздела. t₂ есть время, за которое электроны из истока по искривленному у поверхности участку попадают в сток. t₃ есть время, за которое попадающие в сток электроны приведет к уменьшению падения напряжения в стоке V_D, приведя его к очень маленькому значению. После того, как установится это маленькое значение V_D, МОП-транзистор переходит в состояние “0”.

Переход в состояние “1” однотипен. Он заканчивается при уменьшении стокового напряжения до 0, после того как разорвется канал между истоком и стоком в результате выключения положительного затворного напряжения. Как следствие, на стоке вновь установится высокое значение V_DD.

Время переключения МОП-транзистора необходимо отличать от времени образования инверсионного канала. Инверсионный канал образуют инверсные электроны. Этим электронам при наличии p-подложки неоткуда взяться — только благодаря тепловой генерации. Темп этой тепловой генерации очень небольшой. Чтобы сформировался инверсионный слой с концентрацией электронов, соответствующей приложенному затворному напряжению, необходимо время порядка несколько миллисекунд. Время переключения же составляет пару десятков наносекунд — оно намного меньше времени обраования инверсионного канала.