21.Особенности функционирования и расчета пороговых напряжений нормально открытых и нормально закрытых птш.

На практике различают два типа ПТШ: нормально открытые и нормально закрытые ПТШ.

Нормально открытые ПТШ.

Это приборы, у которых в исходном состоянии канал не перекрывается обеднённой областью, в исходном состоянии. Для НО ПТШ параметр имеет большие значения ( ).

Для НО ПТШ .

Нормально закрытые ПТШ.

В исходном состоянии канал автоматически перекрыт обеднённой областью и так нет: . Для НЗ ПТШ параметр имеет малые значения ( ).

Для НЗ ПТШ .

Входные ВАХ НО и НЗ ПТШ.

22.ВАХ и расчет частотных параметров ПТШ. Нелинейный характер зависимости V_n(E) проявляется в GaAs уже при полях ~ 4 10³ В/см. Типичная длина затвора L современных ПТШ составляет менее 1 мкм. Если считать, что L = 1мкм и учитывать, что поле распределено по длине канала неоднородно (максимальная напряженность на стоковой границе канала), следует ожидать, что нелинейность V_п(Е) сказывается уже при напряжениях U_си > 0,4В. Таким образом, допущение 6 пункта 3.1 обычно не выполняется. Этот эффект можно учесть с помощью аппроксимации зависимости V_п(Е_х)в канале кусочно-линейной функции (рис. 3.2):

, (3.12)

где V_sn = 1,5 -10⁷ см/с – предельная дрейфовая скорость электронов;

Е_s = 4,2 10³ В/см – пороговое поле насыщения скорости.

Поскольку при U'_CU >Q канал равномерно сужается по направлению от истока к стоку, ограничение скорости на уровне v_sn наступает в первую очередь на стоковой границе канала. При этом значение тока насыщения I_sn будет соответствовать не полной отсечке канала, а уменьшению его толщины до величины, определяемой скоростью V_sn.

На рисунке 3.2 представлена форма ОПЗ под затвором при ограничении дрейфовой скорости вблизи стока. На участке канала 0 < Y < L₁ поле Е_х < E_s, и толщина ОПЗ остается локальной функцией напряжения затвор – канал. В точке Y = L_l поле Е_х достигает порогового значения E_s. При Y > L_l v_n= v_sn. Ток в любом сечении канала постоянен, а согласно допущению 4 в пункте 3.1 концентрация электронов п = N_d и также постоянна по координате Y. Поэтому толщина канала на участке L_Y < Y < L_Y + L₂ также постоянна (см. рисунок 3.2). Заметим, что ограничение скорости электронов приводит к нарушению локальной зависимости толщины ОПЗ от напряжения затвор – канал. Это является следствием перераспределения электрического поля в ОПЗ на участке длиной L₂, продольная составляющая которого Е_х уже не может считаться меньше Е (допущение в пункте 3.1 не выполнено).

Минимальное напряжение U’_cu, при котором скорость электронов в канале достигает значения v_{s n} соответствует случаю L₂ = О, L₁= L. При этом поле Е_х в канале достигает значения E_s в единственной точке X=L, а значение U^’_си=U'_нас соответствует переходу транзистора в пологую область ВАХ. Ток в этой точке канала (и, следовательно, ток стока) определяется соотношением

(3.13)

Рисунок 3.2 – Форма ОПЗ под затвором ПТШ при ограничении дрейфовой скорости электронов вблизи стока

Значение может быть найдено как

(3.14)

Значение U'_нас определяемое уравнениями (3.12) и (3.14), меньше значения, которое дается соотношением (3.5), и следовательно, соответствует меньшему току I_СН в уравнении (3.12) по сравнению с (3.6).

В пологой области ВАХ U^’_си > U'_нас ,L₁>L значение тока стока может быть найдено из (1.15) заменой L L₁ (U'_си)<L в выражении для R₀. Значение L₁(U'_cи) уменьшается с ростом напряжения U'_си>U'_нас и при допущении электронейтральности канала может быть найдено путем решения уравнения Пуассона в ОПЗ на участке длиной L₂ (см. рисунок 3.2). Этот эффект аналогичен эффекту модуляции длины канала в МОП-транзисторах и приводит к некоторому увеличению тока стока с напряжением в пологой области ВАХ. Практически канал на участке длиной L₂ не остается электронейтральным. Достаточно точные аналитические соотношения для описания пологой области ВАХ ПТШ в настоящее время отсутствуют.

В реальном транзисторе нужно учитывать падение напряжения на сопротивлении истока R_и. С учетом напряжения v_Ru =I_CR_U проводимости g₀ в соотношениях (3.4–3.8) заменяют величиной = g_o /(1 + g_oR_u). Следует также отметить, что сопротивления R_и и R_c весьма существенно влияют на вид ВАХ ПТШ, так как при отпирании барьерного перехода они ограничивают внутренние напряжения U_ЗИ и U_3C.

23. Геометрия мощных МОП транзисторов.(+ см вопрос 24)

3.8.1 Геометрия мощных МОПТ

7. Геометрия мощных МОПТ: ВДМОПТ, ГДМОПТ

Конструкции мощных транзисторов условно можно делить на два классса – горизонтальные и вертикальные. В горизонтальных структурах сток и исток располагаются на одной плоскости (в горизонтальном направлении). Они аналогичны стандартным МОП-транзисторам, за исключением высокорезистивной области стока, что необходимо для работы с большим напряжением стока.

В вертикальных структурах протяженная дрейфовая область стока расположена вертикально, а электрод стока – на противоположной нижней стороне пластины. Такая конструкция позволяет лучше использовать поверхность кремния, так как на ней расположены только два электрода: исток и затвор. Вертикальная структура МОП-транзистора – транзистор со смещенным затвором – изображена на рис.1. Эта структура предполагает уменьшение паразитной емкости сток–затвор Сз . Прибор представляет собой МОП-транзистор с каналом р-типа, с поликристаллическим кремнием в качестве затвора и протяженной областью стока, образованной ионной имплантацией. Электрод затвора смещен, т.е. не покрывает полностью область между истоком и сильнолегированным стоком. Наличие протяженной имплантированной R-области стока исключает сквозное обеднение канала. В то же время наличие этой области приводит к увеличению последовательного сопротивления в стоке, которое необходимо минимизировать, чтобы исключить потери мощности. Следовательно, необходимо увеличивать ширину канала Z , что соответственно увеличивает площадь, на которой расположен транзистор.

Иногда в конструкциях транзисторов со смещенным затвором используется полевая обкладка. В этом случае электрическое поле, величина которого определяется напряжением, падающим на протяженную имплантированную р-область стока, будет иметь два максимальных пика: один у края затвора, а другой – у края полевой обкладки. Каждый максимум, как правило, меньше одного для случая, когда обкладка отсутствует. Эта технология позволяет изготавливать приборы с р- и n-каналами с напряжением пробоя выше 250 В при токе стока 12 А. Горизонтальный транзистор с двойной диффузией изготавливается с использованием двойной диффузии через одни и те же окна в оксиде. Короткие каналы, длина которых поддерживается с большей точностью, получаются путем диффузии соответствующих примесей р- и n-типа. В области р-типа формируется n-канал, диффузия примеси n-типа предназначена для создания n+-истока (рис. 2). Очень малая длина канала L позволяет не только значительно улучшить частотные свойства транзистора, но и получить большие величины крутизны вольт-амперной характеристики и коэффициента усиления. Кроме того, с увеличением отношения Z/L возрастет токосъем с прибора. Увеличение рабочего напряжения транзистора достигается с помощью дополнительной слаболегированной n-области в стоке с полевой обкладкой над ней. При высоком напряжении сток–исток обедненная область в канале около стока простирается немного в канал, но в основном сосредоточена в дрейфовой области n-области, которая изготавливается такой длины, чтобы получить расчетное напряжение пробоя.

Чтобы вытравить V-образную канавку, используется свойство анизотропности кремния при травлении в разных кристаллографических направлениях. При ориентировании кристалла в направлении <100> анизотропия травления приводит к тому, что получаются канавки V-образной формы, ориентированные точно в направлении <100> . При этом стенки канавок составляют угол 54, 74 ◦С горизонтальным направлением. Плотность упаковки приборов с V-образными канавками с многоканальной или многоэлементной геометрией высокая, поскольку на верхней поверхности расположены лишь электроды истока и затвора. Вертикальное расположение дрейфовой n^--области обеспечивает высокое значение напряжения пробоя и малую емкость обратной связи сток–затвор. Низкие значения сопротивления в проводящем состоянии обеспечиваются обеими проводящими сторонами канавок. В этих транзисторах ток имеет возможность широко растекаться, и поэтому можно ожидать, что с точки зрения вторичного пробоя он превосходит транзистор с горизонтальной структурой. В приборах с V-образной канавкой анизотропное травление прекращается в тот момент, когда две наклонные стенки канавки сходятся на одной линии. Если процесс травления прекратить раньше этого момента, то канавка получится усеченной, т.е. будет U-образной.

Так же как и в приборе с V-образной канавкой, в структуре U-типа длина канала определяется двойной диффузией через одни и те же окна в оксиде. Основное преимущество такой структуры состоит в том, что она обладает меньшим, чем V-образная структура, сопротивлением во включенном состоянии из-за лучшего распределения тока в дрейфовой n-области стока. А недостаток структуры заключается в том, что процесс травления U-образной канавки не является самоограничивающимся

.