Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

ется обедненный основными носителями слой L06 , в котором Рпов и ппов меньше N а и существует отрицательный заряд нескомпен­

сированных акцепторных ионов с приблизительно постоянной

объемной плотностью Л (рис. 6.3, в). Напряженность электриче­ ского поля S вне обедненного слоя при х > L 06 равна нулю

(рис. 6.3, г). Из-за наличия отрицательного объемного заряда воз­ никает поверхностный потенциал <l'пов (рис. 6.3, д), который опреде­

ляется разностью потенциалов между поверхностью на границе

диэлектрик-полупроводник и координатами х > L06 , где отсут-

ствует электрическое поле. Толщина обедненного слоя L 06 мо­ жет быть .определена на основе решения уравнения Пуассона, в

результате получается выражение, аналогичное формуле (2.11)

для несимметричногор-п-перехода (см. [2], п. 1.8):

(6.1)

где S- напряженность электрического поля. Тогда поверхностный потенциал равен

(6.2)

Поверхностные :концентрации дырок и электронов связаны

со значением поверхностного потенциала <l'пов и могут быть вы­

числены согласно следующим выражениям:

По формулам (6.3) концентрацию зарядов в приповерхност­

ном слое можно вычислять и для других режимов (обогащения

и инверсии).

Режим обеднения существует при ппов < Na, когда поверхно­

стный потенциал <l'пов превышает пороговое значение

Величина <l'пор достигается при соответствующем пороговом

напряжении Ипор на затворе. При И3 = Ипор концентрация электро­

нов в приповерхностном слое ппов = N а. Если же И > Ипор в

3

МДП-структуре реализуется режим инверсии, при котором ппов > N а (см. рис. 6.3, а, б, в), т. е. у поверхности образуется хорошо проводящий инверсный слой с типом проводимости, противо-

1 6

п

а)

нИзи~ О В

н-1 в

-2В

-4В

Рис. 6.5

на затвор напряжения И3 > И3 пор• или же формируется техноло­

гически. Транзистор с затвором на основе контакта металл - полупроводник, или контакта Шоттки (ПТШ), показан на рис. 6.4, а, где приняты следующие обозначения: 1 - подлож­

ка, 2 - область истока, 3 - исток, 4 - затвор, 5 - обедненный

слой, 6 - канал, 7 - сток, 8 - область стока. Транзистор с уп­

равляющим р-п-переходом (ПТУП) показан на рис. 6.5, а, где

цифры имеют следующие значения: 1 - подложка, 2 - эпи­

таксиальный слой, в котором формируется канал, 3 ~область

истока, 4 - область затвора, 5 - область стока, 6 - канал. Вы­ бранные структуры транзисторов все имеют канал п-типа. Рас­

сматриваемые физические процессы не зависят от типа канала.

Во всех ПТ с конкретной структурой проводимостью канала

можно управлять изменением напряжения на затворе, на стоке

и на подложке. Последний случай реализуется обычно в МДП­

транзисторах. Мы будем рассматривать схему включения с об­ щим истоком, для которой подложка может быть либо соедине-

на с истоком, либо подключена к независимому источнику. Да­ лее рассмотрим случай, когда исток и подложка соединены,

т. е. находятся под одним и тем же потенциалом.

Если на затвор любого типа транзистора подать напряжение Из• то для каждого значения Из формируется исходная прово­

димость (исходное сопротивление) канала, определяемая кон­ центрацией свободных носителей в нем и его размерами (струк­ турой). Эта исходная проводимость при заданных напряжениях

на затворе для каждого типа транзистора определяет токи через

канал при изменении потенциалов между стоком и истоком в

некоторых пределах Иси .;;; Иси нас· Рассмотрим эти процессы бо­

лее подробно.

Изучим сначала влияние изменения напряжения Изи при

Иси = const на работу ПТШ и ПТУП. В транзисторах этих типов

электрический переход должен быть смещен только в обратном

IJ:аправлении, поэтому полярность напряжения на затворах для

п-канала является отрицательной, т. е. Изи< О, а дляр-канала Изи > О. В МДП-транзисторах (МДПТ) полярность напряжений обратная, т. е. для п-канала Изи> О, а дляр-канала Изи< О. Уп­

равление проводимостью осуществляется за счет изменения

толщины обедненного слоя (переходов), а следовательно, и по­ перечного сечения канала. Чем больше напряжение на затворе по абсолютной величине при Иси = const, тем шире переход и уже канал (см. рис. 6.4, б, в и 6.6, б, в). Форма обедненного слоя и, следовательно, канала для ПТУП и ПТШ подобны. Следова­

тельно, с увеличением IИзl при постоянном напряжении между

стоком и истоком (Иси = const) ток стока будет уменьшаться (см. рис. 6.4, е и 6.5, в) из-за уменьшения сечения канала.

В МДП-транзисторах изменение напряжения Изи при сфор­

мированном канале изменяет сечение, а также проводимость ка­

нала. Например, в МДПТ с п-каналом при увеличении Изи ток стока будет возрастать (см. рис. 6.6, е).

Перейдем теперь к рассмотрению влияния Иси при Изи~ const.

Если изменять напряжение на стоке на растущем участке

БАХ, где Иси < Иси нас• то в этой области ток стока как функция

Иси изменяется почти линейно, при этом стоковые характерис­

тики I с= f(Иси) идут веерообразно для различных значений Изи

(см. рис. 6.4, д; 6.5, б; 6.6, д). Такая «веерообразность» харак­ теристик объясняется тем, что канал представляет собой по-

д)

Иси >Иси нас

лупроводниковое сопротивление, которое, как показано ранее,

различно для разных Изи· Рост же тока стока при фиксирован­ ном Изи на рассматриваемом участке связан с тем, что к каналу,

представляющему полупроводниковое сопротивление, прикла-

дывается большее напряжение, т. е. все происходит согласно за­ кону Ома.

Однако при приближении напряжения на стоке к Иси нас ситу­ ация изменяется. При Иси "" Иси нас происходит перекрытие ка­

нала обедненной областью р-п-перехода, которое называют от­ сечкой канала. Во всех типах транзисторов это перекрытие осу-

ществляется со стороны области стока. В этой области обратное

напряжение на электрическом переходе максимально и, следова­

тельно, ширина обедненной области наибольшая. Поскольку рас­

ширение перехода происходит в стороны у канала и подложки,

то при Иси = Иси нас канал перекрывается.

Электрофизические параметры электрических переходов раз­

личаются для разных типов ПТ, поэтому и значения напряже­ ния отсечки будут отличаться. В ПТШ и ПТУП отсечка канала происходит на границе области затвора и стока (см. рис. 6.4, в, г, точка 1), в то время как в МДП-транзисторах перекрытие кана­ ла осуществляется за счет расширения обедненной области пе­ рехода между стоком и подложкой (см. рис. 6.6, в, г). Необходи­ мо отметить, что, в отличие от ПТУП и ПТШ, в МДП-транзисто­

рах свойствами сформированного канала можно управлять

изменением напряжения на стоке и/или на подложке (см. ВАХ

на рис. 6. 7), т. е. можно сказать, что напряжение на затворе

формирует канал с первоначально заданными характеристика-

ми, а потом управление проводимостью осуществляется за счет

изменения напряжения р-п-перехода сток-подложка.

Сказанное иллюстрируют соответствующие рисунки: на

рис. 6.4, б, в, г для ПТШ и на рис. 6.6, а, б, в, г для МДП показа­

ны форма канала и структура перехода на границах стока, ка­

нала и истока с подложкой для МДП-транзистора при различ­ ных значениях Иси и Изи = const. При дальнейшем (после

Иси нас) увеличении абсолютного значения напряжения на сто­

ковом переходе граница области отсечки канала во всех типах

транзисторов будет продвигаться в направлении области истока

(см. рис. 6.4, г; 6.6, г). Следовательно, между каналом и стоком

размещается все большая величина обедненной области ЛL (см.

рис. 6.4, г; 6.6, г), что эквивалентно увеличению сопротивления,

включенного между каналом и с~оком. Увеличение сопротивле­

ния этой обедненной области будет примерно пропорционально

увеличению напряжения Иси· В результате при Иси >Иси нас ток

стока изменяется незначительно и стоковые БАХ I с = f(Иси)

идут под небольшим углом к оси абсцисс (см. рис. 6.4, д для ПТШ, 6.5, б для ПТУП и 6.6, д для МДП-транзисторов).

На рис. 6.4, д и 6.5, д дано семейство стоковых (выходных) ха­ рактеристик соответственно для ПТШ и ПТУП. При увеличении

!Изи! проводимость канала падает и характеристики смещаются вниз; в МДП-транзисторах ситуация обратная: с ростом IИзиl уве-

личивается проводимость канала, что ведет к увеличению тока, и

характеристики смещаются вверх (см. рис. 6.6, д, где значения напряжения в скобках относятся к встроенному каналу).

Описанные процессы хорошо отражают свойства ПТ с так на­ зываемым длинным каналом. Канал называется длинным, если его продольные размеры (L) существенно больше поперечных. Если же отношение длины канала к его толщине не слишком

велико, то канал считается коротким.

Реальные характеристики Полевых транзисторов с короткими каналами в области насыщения могут заметно отличаться от ха­ рактеристик с длинным каналом. Одной из главных причин та­ кого отличия является зависимость дрейфовой скорости и под­ вижности носителей тока от величины электрического поля. Дрейфовая скорость при больших напряжениях поля насыща­ ется. В кремнии дрейфовая скорость монотонно увеличивается

при возрастании электрического поля.и достигает скорости на­

сыщения (vнас""' 107 см/с) при напряженностях поля, больших,

чем 5 • 104 В/см. В GaAs и InP зависимость скорости дрейфа

от напряженности поля v = f({S) немонотонна. Дрейфовая ско­

рость сначала достигает максимума (vнас""' 2 • 107 см/с) при полях

{5- (1 ... 2)104 В/см и затем уменьшается до - (6 ...8)106 см/с при {5- (5 ... 6)104 В/см, оставаясь далее почти постоянной.

Рассмотрим особенность физических процессов и поведение стоковых БАХ в области насыщения для кремниевого коротко­ канального ПТШ. Описываемые ниже процессы характерны и

для других типов полевых транзисторов. Для объяснения про­ цессов будем пользоваться рис. 6.4, б, считаем, что в данном случае ПТШ имеет короткий канал.

При малых напряжениях на стоке канал, как уже отмечалось ранее, подобен резистору. При больших напряжениях темп уве­ личения дрейфовой скорости электронов с ростом напряжения

уменьшается и БАХ канала, т. е. кривая Ic = f(Иси) отклоняет­ ся вниз о~ начальной прямой. При еще больших напряжениях

Иси ""' Иси нас дрейфовая скорость носителей достигает скорости

насыщения, что вызывает насыщение тока стока.

Обедненная область под затвором в ПТШ и ПТ"УП (см.

рис. 6.4, г) действует как ело# изолятора, подобно поДзатворно­

му диэлектрику в МДП-транзисторах, что сокращает высоко­ проводящую область канала, через которую протекает стоковый

ток. Ширина обедненного слоя определяется величиной прило­ женных напряжений. Потенциал вдоль канала увеличивается

от нуля на истоке до Иси на стоке. Следовательно, значение ло­

кального обратного смещения перехода затвор-канал и локаль­ ная ширина обедненного слоя также увеличиваются по мере

приближения к стоку (ситуация подобна рис. 6.4, б). В любом се­

чении канала должен выполняться закон сохранения полного

тока. Поэтому результирующее уменьшение ширины проводя­ щего канала должно быть скомпенсировано соответствующим

увеличением продольного электрического поля и дрейфовой

скорости электронов, чтобы величина полного тока оставалась

неизменной по длине канала. При Иси = Иси нас напряженность

поля в канале со стороны стока достигает критического значе­

ния, а дрейфовая скорость электронов - скорости насыщения, ширина канала становится минимальной, и ток транзистора на­

чинает насыщаться.

С увеличением напряжения стока (Иси > Иси нас) обедненная

область расширяется к стоку, а сечение канала 81' проходящее через координату х1 (см. рис. 6.4, б), где электроны достигают

скорости насыщения, смещается в сторону истока, т. е.'в проти­

воположном направлении. При этом, в отличие от длинного ка­

нала, полного перекрытия короткого канала не происходит. Па­

дение напряжения между истоком и сечением 8 1 уменьшается,

и, в соответствии с законом сохранения полного тока, увеличи­

вается ток инжекции электронов из электронейтральной части канала со стороны истока в область, где происходит насыщение

дрейфовой скоро'сти. В результате этого БАХ транзистора на

участке насыщения имеет положительный наклон, т. е. проис­ ходит возрастание тока Ic с увеличением напряжения Иси в об­

ласти насыщения.

По мере удаления от сечения 8 1 к стоку потенциал вдоль ка­ нала возрастает, размер, занятый обедненной областью, увели­

чивается, а проводящая область канала сужается. Поскольку в этой области скорость электронов vдР = vнас = const, т. е. не зави­

сит уже от напряженности электрического поля, то для компен­

сации этого сужения канала и обеспечения сохранения полного

тока концентрация электронов в рассматриваемой области уве­

личивается и становится больше концентрации доноров, т. е.

эта часть канала оказывается отрицательно заряженной. В не-