Рис. 13. Структурная схема полевого транзистора с затвором Шотки.
ПТШ - транзисторы по принципу работы аналогичны полевым транзисторам с p-n затвором, а только роль управляющего p-n перехода выполняет переход Шотки. Напряжение перехода Шотки создает под затвором обедненный слой, ширину которого можно изменять Uзи. Для того, чтобы создать в МЕР транзисторе проводящий канал, следует к затвору подать положительное напряжение относительно потока. Это напряжение в свою очередь является прямым для перехода Шотки и уменьшает ширину обедненного слоя. Uзи можно увеличивать только до 0,7 В, так как при большем этого значения напряжение может создать для транзистора ток, который выведет транзистор из строя.
Отметим некоторые преимущества ПТШ по сравнению с биполярными транзисторами. Благодаря более простой и совершенной технологии изготовления ПТШ имеет меньший разброс электрических параметров. Ток в них течёт не через р-n-переходы, а между омическими контактами однородной среде канала. Благодаря этому ПТШ обладают более высокой линейностью передаточной характеристики, у них нет шумов токораспределения, а плотность тока может быть большой, следовательно, уровень их шумов меньше, отдаваемые мощности больше. Подвижность электронов в слабом поле арсенида галлия (GaAs), из которого изготавливают ПТШ, примерно в 2 раза выше, чем в кремнии (Sі), а вместо ёмкостей эмиттерного и коллекторного переходов у ПТШ имеется сравнительно малая ёмкость обратно смещенного затвора на барьере Шоттки, поэтому они могут работать на более высоких частотах до 90-120ГГц. Внутренняя обратная связь через паразитные ёмкости в ПТШ незначительна, усилители работают на них более устойчиво в широком диапазоне частот. Несмотря на то, что теплопроводность GaAs в 3 раза меньше, чем у Sі, биполярные транзисторы уступают ПТШ по коэффициенту шума уже на частотах выше 1 -1,5 ГГц.э
МОП ессли в кремниевом транзисторе в качестве диэлектрика – оксид кремния, то это моп
Работа МОП-транзистора Принцип действия прибора зависит от изменения в полупроводнике электрического поля, происходит
поляризация изолированного затвора. Такое действие вызвало название элемента, как « металлоокисный полупроводник». Он представляет собой прибор, в котором для изготовления затвора использовалась двуокись кремния SiO2, для современных МОП-транзисторов в качестве материала для затвора применяют поликристаллический кремний. Существует два типа МОП-транзисторов. Первые имеют дырочную проводимость – р-канальные. Транзисторы с электронной проводимостью называются n-канальными. Канал в этих полупроводниковых приборах может быть обедненным или наоборот обогащенным носителями.
Основные преимущества МОП-транзисторов Мгновенное переключение; Нет вторичного пробоя;
Безопасная работа характеризуется широкой областью; Высокий коэффициент усиления.
Более высокое входное сопротивление. Небольшое потребление электроэнергии.
При компоновке интегральных схем с использованием МОП-транзисторов задействуется относительно небольшое количество операций, чем с применением биполярных транзисторов.
ПТУП
1)Опишите основные элементы конструкции планарного МДП
Исток – источник носителей зарядов. Является аналогом эмиттера в биполярном приборе. Сток. Служит для приема носителей заряда от истока. Аналог коллектора биполярного транзистора.
Затвор. Выполняет функции управляющего электрода. Аналог в биполярном устройстве – база. Кремниевая подложка. В подложке n-типа в узлах кристаллической решетки кремния присутствуют отрицательно заряженные атомы и свободные электроны, что достигается введением специальных примесей.
Диэлектрик. Служит для изоляции кремниевой подложки от электрода затвора. В качестве диэлектрика используется оксид кремния.
МДП-транзистор имеет четыре электрода: исток, сток, затвор и подложку. Полупроводниковая область, от которой начи-
нается дрейф основных носителей, называется истоком; область,
в которой осуществляется дрейф основных носителей и амплитудная модуляция дрейфового тока– каналом, область, к которой под действием поля движутся (дрейфуют) основные носители - стоком; металлическая или полупроводниковая область, используемая для сознания модуляции дрейфового тока – затвором. Подложка является конструктивной основой МДПтранзистора.
Области истока и стока одного типа электропроводности формируют на некотором расстоянии lk друг от друга локальной диффузией или ионным легированием. Они самоизолированы друг от другар-n-переходами. Между ними поверх слоя диэлектрика расположен затвор, выполненный из проводящего материала.
Принцип действия МДП-транзистора основан на эффекте модуляции электропроводности поверхностного материала, расположенного между истоком и стоком. Этот эффект вызывают наложением поперечного электрического поля в пространстве между проводящим затвором и полупроводниковым материалом (подложкой) за счет напряжения, подаваемого на затвор. Тип электропроводности канала обязательно совпадает с типом электропроводности областей истока и стока. Так как тип электропроводности истока, стока и канала противоположен типу электропроводности подложки, то сток, исток и канал образуют
сподложкой р-n-переход. (Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП-транзисторы выполняют двух типов
–со встроенным и с индуцированным каналом.)
Взависимости от типа основных носителей тока в канале различают n-канальные и р- канальные МДП-транзисторы. По конструктивно-технологическому исполнению МДПтранзисторы подразделяют на две разновидности: со встроенным и индуцированным каналами. Встроенный канал предусмотрен конструктивно и создается на этапе производства транзистора легированием приповерхностной области между истоком и стоком.
2) В чем состоят основные этапы изготовление планарного МДПТ
Технология изготовления МДП-структур
Технология изготовления МДП ИС значительно проще технологии изготовления биполярных интегральных схем. Так, число основных технологических операций примерно на 30 % меньше, чем при изготовлении и биполярных ИС.
Наибольший практический интерес представляет изопланарная технология изготовления МДПструктур, особенностью которой является изоляция МДП-структур толстым слоем оксида кремния. Применение этой технологии позволяет совместно формировать на одной подложке как биполярные, так и МДП-структуры. Процесс поэтапного формирования МДП-структуры представлен на рис. 1.16:
а) на поверхности кремниевой подложки р-типа формируют маску из нитрида кремния, через отверстия в которой внедряют ионы бора, в результате чего формируются противоканальные р+- области; б) окислением через маску создают разделительные слои диоксида кремния, после чего удаляют
слой нитрида кремния, затем ионным легированием бора создают слой с повышенной концентрацией акцепторов, который необходим для снижения порогового напряжения; в) формируют тонкий подзатворный слой диоксида кремния и наносят на него слой поликремния (затвор);
г) ионным легированием мышьяка формируют n+-области истока и стока;
д) химическим паровым осаждением наносят слой диоксида кремния, формируют в нем окна, напыляют пленку алюминия и методом фотолитографии создают рисунок металлических проводников.
Технология изготовления МДП-транзисторов во многом схожа с технологией биполярных ИМС и отличается меньшим количеством технологических операций. Наиболее ответственным
этапом изготовления МДП-ИМС является создание диэлектрического слоя
под затвором. Этот слой имеет довольно большой положительный объемный заряд, который необходимо стабилизировать в процессе изготовления и учитывать при проектировании.
Существует много разновидностей технологического процесса изготовления МДПтранзисторов. Наиболее прогрессивной является изопланарная технология формирования МДПтранзисторов с поликремневым затвором.
1.На подложке p-типа формируют маску из нитрида кремния и ионным внедрениембора создают противоканальные области
-типа (рис. 87, а).
2.Окислением через маску создают разделительные слои
(рис. 87, б).
3.Удаляют слой
и создают тонкий подзатворный слой
толщиной 0,1 мкм (рис.
87, в).
4.Наносят слой поликремния толщиной 0,5 мкм и с помощью фотолитографии формируют рисунок затвора и поликремневых проводников.
5.Ионным легированием мышьяка формируют
-области истока и стока (рис. 87, г).
6.Химическим паровым осаждением наносят на всю поверхность слой
.
7.С помощью фотолитографии в слое
создают контактные окна.
8.Вакуумным испарением наносят сплошную алюминиевую пленку.
9. С помощью последней фотолитографии получают необходимый рисунок металлической разводки.
В результате всех этих операций получают структуру, показанную на рис. 87, д.
Топология структуры была показана выше (см. рис. 75).
Рис. 87. Структура ИМС, изготовляемых по технологии изготовления МДП-транзисторов
Устройство мпд транзистора р типа!:
В кремнии электронного типа проводимости создают две области дырочного типа. Плотность дырок в этих областях значительно больше чем плотность свободных электронов в кремнии n-типа об этом говорит значок p плюс на структуру. На структуру наносится диэлектрик толщиной 1-1,5 мкм, поверхность между дырочными областями покрывается более тонким слоем. Для устойчивой работы транзистора тонкий слой диэлектрика должен заходить на эти
области. В толстом слое диэлектрика делают окна .В окна напыляется металл для создания контактов одновременно наносится металл и на область тонкого диэлектрика. Получается структура МПД. Одну из дырочной областей называют исток другую сток, металлический электрод над тонким диэлектриком затвор.
Зона между дырочными областями канал. А полупроводник в котором создается структура – подложка. ЭДМЕНТЫ ТРАНЗИСТОРА МДП.
3) Что такое пороговое напряжение и от чего оно зависит.
Пороговое напряжениенапряжение при котором возникает сильная инверсия !!!
Пороговым напряжением МОП-транзистора называется такое напряжение на затворе относительно истока, при котором поверхностный потенциал под затвором достигает величины удвоенного потенциала Ферми (рис. 2). При этом концентрация не основных носителей в канале становится равной концентрации легирующей примеси
Пороговое напряжение МДП-транзистора с индуцированным каналом - это такое напряжение на затворе относительно истока, при котором в канале появляется заметный ток стока и выполняется условие начала сильной инверсии, т.е. поверхностная концентрация неосновных носителей заряда в полупроводнике под затвором становится равной концентрации примесей
(Неосновные носители заряда - в полупроводниках - носители заряда, концентрация которых не определяет тип проводимости.)
4) Особенности ВАХ характеристики. Как объяснить наличие насыщение тока стока на ВАХ.
Как видно из графиков, на характеристиках МДП-транзистора можно выделить две области: участок крутого нарастания тока стока Ic с увеличением напряжения Uс и пологий участок, на котором Ic меняется незначительно. Переход с одного участка выходной ВАХ на другой происходит при достижении граничного значения напряжения стока (происходит перекрытие
канала т.е. насыщение). С увеличением напряжения на затворе, граница, разделяющая крутую и пологую области, сдвигается в область больших напряжений сток-исток. Это происходит из-за большей разностью потенциалов сток-затвор, которая требуется для перекрытия более широкого канала.
Пологие участки характеристик связаны с уменьшением толщины канала около стока. Насыщение тока стока при фиксированном Uз связано с сужением проводящего канала со стороны стока и с сокращением его длины при увеличении Uc.
Из рисунка можно сделать вывод, что чем больше значения Uз, тем больше и Ic. Объясняется это тем, что из-за увеличения напряжения затвора увеличивается инверсная область, а от нее зависит ширина канала и, как следствие, ток насыщения.
В линейной области вах канал имеет такую форму:, при малых значениях напряжений на стоке . По мере роста пн переход (зелено-красный н+ обла где)
При подаче на сток полож напряжения обычно заземленнач подложка превращает этот пн переход в обратно смещенный т е н область смещается в положительную сторону (+потенциал) р область к подложке ТК тут нулевой потенциал Обратно смещенный пн переход при увеличении разности потенциалов на нем происходит
следующее: его обеденная область начинает расти (голубая часть ) в результате чего она начинает отжимать зелёный канал из за этого характеристика перестает быть линейной и начинается загиб, в момент когда размеры обеденной области станут такими что вблизи стока канал сжимается до минимально возможного возникнет отсечка и запросили выйдет в насыщение после этого изменений тока с ростом напряжения на стоке происходить не будет.
Что происходит когда зависомть приходит в насыщение: разность потенциалов которая возникает при здесь
За счёт приложение напряжения на сток и е напряжение на стоке настолько велико что толщина канала в этой области становится нулевой , нулевая толщина канала становится когда нападение на затворе полностью компенсируется пороговым уз=упор У стока насыщение=уз-упороговое
5) от чего зависит электрическая прочность планарного МДП
Электрическая прочность — также диэлектрическая прочность — характеристика диэлектрика, минимальная напряжённость электрического поля, при которой наступает электрический пробой. (В/см). Электрическая прочность – это минимальная напряженность однородного электрического поля, при которой происходит пробой диэлектрика.
Eпр=Uпр/d,
где Eпр, В/м; Uпр - пробивное напряжение, В; d - толщина диэлектрика, м.
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ МДП: 1) пробой подзатворногг дэ
Как только мы подаем огромное напряжение на затвор разносит потенциалов становится слишком большой и поле в Дэ становится больше чем полнее электрического пробоя и просто пробивает этот дэ, раз он пробился из затвора начинает течь ПП ток в этом ничего хорошего транзистор перестает работать, в худшем случае вы перестаньте управлять за счёт того что у вас Дэ пробит и его проводимость стала в общем слишком хорошей чтоб было нормальное управление канала , в лучшем случае просто снизятся характеристики транзистора, либо пороговое поплывет либо эффективность управления ( в общем не стоит подавать большое напряжение на затвор)
2) пробой обратносмещенного пн перехода Если подаем на сток очень большой потенциал то обеденная область начинает расти,(но если
вспомнить энергетическую диаграмму пн перехода то,
Слева н тип справа п тип Есть электроны при чем за счёт того что напряжение на стоке достаточно высокое электроны
которые находятся (где нтип) имеют очень большую энергию и соответственно их большая энергия позволяет сквозануть через переход и вы получаете туннельный пробой Пол сути через пн переход начинает течь ток потому что напряжение подложки равно 0 (справа) а у стока много больше нуля
По сути у нас достаточно большое поле и через тонкий слой электроны спокойно туннелируют у нас туннельный пробой 3) смыкание обедненных областей истока и стока
Подано на сток некоторое напряжение поэтому обеденная область под стоком больше чем под истоком. По мере того как мы начинаем подавать все большее напряжение обеденная область растет. Допустим не строится на то что оо достаточно большая дня пробоя, для вот этого обратно смещенного пн перехода, напряжения не достаточно. Это бывает когда у вас короткоканальный транзистор. И обеденная область начинает касаться обеденной области истока.
Если смотреть на энергетическую диаграмму то в случае относительно небольшого напряжения на стоке у нас есть потенциальный барьер, область где п тип проводимости и дальше изгиб зоны и н+область
Электроны отсюда сюда попасть не могут (стрелочка) и бартер достаточно толстый и энергетические затраты на переход большие. Далее (зеркально) также барьер чтоб перескочить
Если напряжение очень большое то получается барьер очень маленький. При этом если электроны проскакивают их н+области сюда (стрелка)
Попадают в обеденные о
бласти под действием настолько огромного потенциала, (электроныстремятся же к минимуму энергии) что электронная несутся по этому склону же диагр в них к стоку
Ивнизу по сути тож нет никакого барьера для этих электронов , в результате этого они несутся с огромной энергией на сток и вы не может этот ток контролировать. На склоне происходит значительное увеличение тока исток сток и при этом полностью перестаёте контролировать его напряженим на затворе потому как по сути, ток вызывается просто преодолением небольшого потенциального барьера на границе н+п области и дальше по обеденной области этот электрон несётся с огромной энергией на сток и направление на затворе ничего не может с этим сделать.
ПОЧЕМУ ЭТА ПРОБЛЕМА ВОЗНИКАКТ Из за того что мы хотим сделать быстро работающий транзистор . Быстро работающий
транзистор складывается его быстрота из: 1) быстрая скорость перезарядки конденсатора (по сути слой Дэ) 2) быстрая пробегание электронов Потому что даже если вы Дэ будет перезаряжать быстро. То медленно идущие электроны по
каналу могут не успевать добегать до стока чтобы передать соответствующий сигнал (бегущий импульс)
Идля этого расстояние между стоком и истоком делаю очень маленьким чтобы электроны бежали совсем чуть чуть. Из за этого даже небольшое напряжение на стоке будет приводить к смыканию. Поэтому именно короткоканальное приближение все портит ??
6) Чем определяется максимальная рабочая частота прибора, чем ограничивается быстродействие мдп Рабочая частота — Частота, соответствующая максимальной амплитуде спектра акустического сигнала,
излученного и (или) принятого преобразователем, при условии, что этот максимум единственный
МДП-транзистор- это прибор, управляемый напряжением. Потребление тока отсутствуетБыстродействие. транзистора ограничено временем пролета носителе канала и временем перезаряда емкостей.
Для увеличениябыстродействия транзисторов кремний легируется золотом, однако снижается время жизни неосновных носителей оэффицит,уменьшаетсяусиленияк р увеличивается обратный - токНаиболее/ кобрэффективным конструктивным способом быстродействия транзисторов является использование диодов Шоттки, шу переход. Транзистор такого типа называетсяторомШотткитранзис.