1.4. Мдп транзисторы

Рис. 14. Структура МДП транзистора

Пороговое напряжение U_{ЗИ ПОР} – при котором концентрация электронов в канале около поверхности Si - SiO₂ равна концентрации дырок в подложке p-типа, т.е. канал образуется, если U_З > U_ПОР.

Рис. 15. Выходная характеристика

В линейной (крутой, триодной) области:

Формула верна для U_З >U_ПОР, U_C<U_З–U_ПОР, при U_C=0 I_C=0

Если U_C мало и выполняется неравенство , тогда:

т.е. I_c - линейная функция U_c, здесь: W - ширина канала, L - длина канала, µ_ns-подвижность электронов вблизи поверхности(0,5 µ_n – в глубине). _OX - диэлектрическая проницаемость окисла, l_OX - толщина окисла,

- удельная емкость структуры затвор – канал, Ф/м², .

При U_C=U_З-U_ПОР канал вблизи стока исчезает и транзистор работает в области насыщения (пологой, пентодной) с перекрытым каналом

Подставим это значение в формулу для I_C:

т.е. в области насыщения ток стока I_C от напряжения на стоке U_C не зависит.

С увеличением U_C канал вблизи стока перекрывается больше и больше: так как расширяется обедненный слой стокового p-n перехода, следовательно, длина канала L уменьшается, следовательно, ток I_C растет, характеристики в области насыщения имеют небольшой наклон.

Крутизна:

Удельная крутизна: - является параметром транзистора.

Оценим:

В PSpice используется параметр, называемый коэффициент крутизны:

.

kp является параметром микросхемы в целом, а не отдельного транзистора, так как иодинаковы для всей микросхемы, а длина и ширина канала являются параметрами транзистора.

Разновидности мдп – транзисторов

1. По типу проводимости канала

n-канальный (рассмотрен)

p-канальный

Рис. 16. p-канальный МДП транзистор с индуцированным каналом

2. По характеру канала: транзисторы с индуцированным каналом

когда канала нет, канал появляется при:

n- канал p- канал.

Именно такие транзисторы рассмотрены выше.

Рис. 17. Входная характеристика n- канального транзистора с индуцированным каналом.

Рассмотрим транзистор со встроенным каналом:

Рис. 18. Структура n-канального МДП транзистора (аналогично для p-канального)

Рис. 19. Входная характеристика n- канального транзистора со встроенным каналом.

Рис. 20. Обозначения различных МДП транзисторов

Зависимость порогового напряжения от электрофизических характеристик

Подложка p-типа (n-канальная структура):

;

Подложка n-типа (p-канальная структура):

;

_МП - разность работ выхода электронов из металла и полупроводника:

для подложки p-типа:

_МП=_МПС‑|_F|

для подложки n-типа:

_МП=_МПС+|_F|

_МПС=‑0.6 В - разность работ выхода электронов из алюминия и кремния с собственным типом проводимости.

|_F| - абсолютное значение потенциала Ферми, измеряемого в В, или уровня Ферми в эВ:

.

Например:

тогда разность работ выхода: .

- плотность заряда поверхностных состояний

N – концентрация примеси в подложке.

Для поликремниевого затвора:

Разность работ выхода из затвора и подложки:

1. n-канальный транзистор – подложка p-типа, затвор легирован n-примесью

2. p-канальный транзистор – подложка n-типа, затвор легирован p-примесью

В SPICE пороговое напряжение называется vto. Расчет параметров МОП-транзисторов подробно описан в [1 - §8.6, 11.3; 2 - §9.3].