7.3. Эффект смещения подложки

Подложка, на которой изготавливают МДП-транзистор, имеет противоположный каналу тип проводимости. Рассмотрим, как меняются характеристики МДП - транзистора при приложении напряжения между истоком и подложкой. Отметим, что приложенное напряжение между истоком и подложкой при условии наличия инверсионного канала падает на обедненную область индуцированного р-n-перехода.

В этом случае при прямом его смещении будут наблюдаться значительные токи, соответствующие прямым токам р-n-перехода. Эти токи попадут в стоковую цепь, и транзистор работать не будет. Поэтому используется только напряжение подложки, соответствующее обратному смещению индуцированного и истокового р-n-перехода. По полярности это будет напряжение подложки противоположного знака по сравнению с напряжением стока. При приложении напряжения канал-подложка происходит расширение ОПЗ и увеличение заряда ионизированных акцепторов:

. (7.6)

Поскольку напряжение на затворе V_GS постоянно, то постоянен и заряд на затворе МДП-транзистора Q_m. Следовательно, из уравнения электронейтральности вытекает, что если заряд акцепторов в слое обеднения Q_B вырос, заряд электронов в канале Q_n 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 возрастет и пороговое напряжение транзистора V_Т. Изменение порогового напряжения будет равно:

. (7.7)

Поскольку смещение подложки приводит только к изменению порогового напряжения V_Т, то переходные характеристики МДП‑транзистора при различных напряжениях подложки V_SS смещаются параллельно друг другу. На рис. 7.11 показан эффект влияния смещения подложки на переходные характеристики.

7.4. Эквивалентная схема мдп‑транзистора

Исходя из общефизических соображений, МДП-транзистор можно изобразить в виде эквивалентной схемы, представленной на рис. 7.12.

Рис. 7.11. Влияние напряжения смещения канал-подложка V_SS на переходные характеристики транзистора

Рис. 7.12. Простейшая эквивалентная схема МДП-транзистора

В этой схеме R_вх обусловлено сопротивлением подзатворного диэлектрика, входная емкость С_вх – емкостью подзатворного диэлектрика и емкостью перекрытия затвор-исток. Паразитная емкость С_пар обусловлена емкостью перекрытий затвор-сток. Выходное сопротивление R_вых равно сопротивлению канала транзистора и сопротивлению легированных областей истока и стока. Выходная емкость С_вых определяется емкостью р-n-перехода стока. Генератор тока передает эффект усиления в МДП-транзисторе.

7.5. Подпороговые характеристики мдп-транзистора

Для получения статических параметров МДП-транзисторов часто используют метод, предусматривающий соединение затвора и стока друг с другом и измерения зависимости тока стока от стокового напряжения. Соответствующая схема включения имеет вид, приведенный на рис. 7.13. В этой схеме транзистор всегда находится в режиме насыщения.

сток

затвор

подложка

исток

Рис. 7.13. Схема включения МДП-транзистора, в которой

затвор и сток соединены друг с другом

Уравнение вольт-амперной характеристики МДП-транзистора с изолированным затвором в линейной области при 0  U_СИ < U_{СИ насыщ} имеет вид

(7.8)

где z – ширина канала; L – длина канала; C_i – емкость диэлектрика; _n – подвижность носителей в канале.

В режиме насыщения при U_{СИ насыщ} = U_З – U_пор уравнение вольт-амперной характеристики МДП-транзистора с изолированным затвором принимает вид

(7.9)

Согласно уравнению (7.9) график зависимости (I_C)^1/2 от U_З должен быть линейным (сплошная линия 1, рис. 7.14). Пороговое напряжение легко найти, как точку пересечения с осью напряжений. В идеальном случае ниже порогового напряжения канала нет. В реальности этот график имеет вид, соответствующий пунктирной линии 2 на рис. 7.14. Такой вид графика связан с токами, протекающими в транзисторе при напряжениях меньше пороговых.

(I_C)^1/2

1

2

U_пор U_З

Рис. 7.14. График зависимости (I_C)^1/2 от напряжения

на затвореU_З

Одно из наиболее удобных и полезных упрощений, принятых в простой теории МДП-транзистора, состоит в том, что пока его затворное напряжение меньше порогового, весь заряд свободных носителей в канале считается равным нулю, а когда затворное напряжение больше порогового, заряд обедненной области под затвором считается постоянным. Такое приближение удобно потому, что концентрации свободных носителей заряда в канале экспоненциально зависят от напряжения канала, тогда как плотность неподвижного заряда пропорциональна корню из этого напряжения. Однако вблизи порогового напряжения простая теория недостаточно точно описывает ток прибора, что подтверждается при тщательном измерении его характеристик. Главный момент здесь - это некоторый конечный (ненулевой) ток при затворных напряжениях, меньших порогового, который называется предпороговым или подпороговым током, то есть если напряжение на затворе МОП-транзистора ниже порогового и граница с окислом находится в условиях слабой инверсии, соответствующий ток стока называют подпороговым (или предпороговым) током.

Подпороговые токи обусловлены инверсным зарядом, который существует при затворных напряжениях меньше порогового. В интервале напряжений U_инв < U_З < U_пор, где U_инв – напряжение инверсии, при котором концентрация носителей в канале равна собственной концентрации носителей n_i, существует малый ток канала. Указанный интервал напряжений называется подпороговой областью, поверхностная концентрация носителей в нем изменяется от собственной концентрации носителей n_i до концентрации основных носителей в объеме. В условиях слабой инверсии основной компонентой тока канала является диффузионная составляющая.

Обращает на себя внимание тот факт, что в области слабой инверсии зависимость тока стока I_С или I_DS от напряжения на затворе U_З или V_GS – экспоненциальная функция. На рис. 7.15 приведены переходные характеристики транзистора в этой области.

Подпороговая область характеристик особенно важна для МОП-транзисторов, предназначенных для работы в низковольтных полупроводниковых устройствах с малым энергопотреблением (цифровые логические схемы, устройства памяти), поскольку этот режим соответствует закрытому состоянию МОП-транзистора, а также описывает процесс переключения из закрытого состояния в открытое

Рис. 7.15. Зависимость тока стока I_DS от напряжения на затворе V_G в предпороговой области для МДП‑транзисторов с разной толщиной подзатворного диэлектрика.

Напряжение исток-сток V_DS = 0,025 В