10

2. Транзисторы со структурой металл-диэлектрик полупроводник (МДП, MOS — разновидность FET)

1. Эффект поля в структуре МДП

Идеальная граница Д-П:

1) Плотность поверхностных состояний .

2) Термодинамическая работа выхода из полупроводника и из металла одинакова: .

3) Нет зарядов в диэлектрике.

1) — равновесный режим. 2) — режим обогащения.

Е₀ — потенциальная энергия (поверхности п/п основными

свободного электрона в вакууме носителями)

М Д П

E_c

E_v

F_i

F_p

_M

_p

l ~ L_D

ОПЗ

E₀

F_M

- eV

2) — режим обеднения. 2) — режим инверсии.

— напряжение инверсии.

При V > V_i  l = l_T не зависит от V.

Эквивалентная схема:

СV – характеристика:

2. Структура и принцип действия МДП транзистора

Типы:

а) п - канал

б) р - канал

а) индуцированный канал

б) встроенный канал

Канал образуется при , где

— пороговое

напряжение.

Выходные ВАХ: Проходные ВАХ:

V_{DS S} = V_GS - V_Т

(V_{GD S} = V_Т)

Структура комплементарной пары МДП транзисторов в ИМС

3. Идеализированная модель МДП транзистора

3.1. Допущения (для п-канала)

1). — подвижность носителей в канале постоянна .

2). — сопротивления пассивных областей стока малы.

3). — (приближение плавного канала).

4). — ОПЗ под каналом однородна и соответствует условиям

, — пороговое напряжение при .

5). — ток неосновных носителей мал (униполярный тр-р).

6). — ток в канале чисто дрейфовый.

7). — токи утечки через закрытые р-п переходы малы.

Обозначения:

— напряжение затвор-исток;

— напряжение затвор-сток;

— напряжение сток-исток;

;

— напряжение сток-исток насыщения .

Всегда (иначе сток и исток меняются местами).

Режимы работы:

1). Отсечка: ;

2). Крутая обл. ВАХ: , (или );

3). Пологая обл. ВАХ: , (или ).

3.2. ВАХ идеализированного МДП транзистора

; (1)

(2) ()

В крутой обл. ВАХ: (3)

(Зависимость Q_Sn (y) локальна только при E_y << E_x ).

(3)  (2)  (1):

. ; ; . (4)

Интегрируем (4) от 0 до у (слева) и от до (справа):

. (5)

Это уравнение дает распределение потенциала в канале.

При из (5) получим ВАХ в крутой области. Для всех режимов:

(6а)

Или: (6б)

В пологой области ВАХ ток такой же как на границе крутой области и не зависит от .

Выходные ВАХ: Проходные ВАХ:

Линия раздела крутой и пологой областей:

. (7)

Малосигнальные параметры ВАХ.

V_DS

I_D

gdV_GS

GdV_DS

Крутизна ВАХ: .

Выходная проводимость: .

Собственный коэффициент усиления по напряжению:

.

В пологой области ВАХ: . (8)

Для увеличения  надо: L; d  C_S (но при этом емкости ).

3.3. Cобственные емкости МДП транзистора и поле в канале

В крутой области ВАХ из (5):

. (9)

Подставляя (9) в (3) и интегрируя по всему каналу, найдем суммарный заряд электронов в канале :

(10)

где — суммарная емкость затвор-канал,

.

В области отсечки .

В пологой области заряд в канале такой же, как при .

Емкости:

С_{GS, GD}

2С_G /3

С_G

С_G /2

0 1

С_GS

С_GD

(11а)

(11б)

Продольное поле на границе со стоком:

. Из (4) При :

.

Подставляя сюда I_D из (6a), получим:

(12)

При перекрытии канала на границе со стоком протекание конечного тока обеспечивается бесконечной скоростью носителей.

3.4. Схемы включения МДП транзистора

Схемные обозначения:

п-канал р-канал п-канал р-канал

Встроенный канал Индуцированный канал

Общий затвор (ОЗ) Общий исток (ОИ) Общий сток (ОС)

Точкой обозначены малые переменные составляющие токов и напряжений.

Лучшие усилительные свойства — в схеме ОИ.

Лучший режим работы — пологая область ВАХ (крутизна максимальна).

3.5. Предельная частота идеального МДП транзистора

Цепь усилительных каскадов ОИ.

Транзисторы работают в пологой области ВАХ: , .

Нагрузка:

.

.

На предельной частоте : .

. (11) ; ; .

. Длину канала следует предельно уменьшать!

3.6. Пороговое напряжение

Положим: V_BS = V_DS = 0; V_GS = V_T0. При этом V(у) = V_S.

_S — поверхностный

потенциал

;

;

При , т.е.

(условно).

, т.к.

(нижний знак —

для р-канала).

,

где — удельная емкость диэлектрика.

Параметры, определяющие

1). . Отсюда: .

2). ; ; .

3). ; — поверхностная плотность поверхностных состояний.

4). ; ;

Для Si: эВ.

В качестве затвора часто используется вырожденный поликремний.

Затвор Si* Подложка р-Si

Способы регулировки пороового напряжения.

1). Затвор р⁺- Si* или п-Si*.

2). Мелкое подлегирование канала:

Введение тонкого (<< l_T0) слоя донорной () или акцепторной () примеси на поверхности полупроводника эквивалентно введению поверхностного заряда с поверхностной плотностью

, где — поверхностная доза примеси.

Основные результаты

1). В рамках идеализированной модели ток стока является функцией двух напряжений:

или

и не зависит от потенциала подложки (т.е. от напряжения ).

2). ВАХ идеализированного МДП транзистора определяется двумя параметрами:

и .

3). В пологой области ВАХ ток стока и крутизна ВАХ зависят только от напряжения затвор-исток:

; .

Емкость , а емкость .

4). Предельная частота транзистора определяется соотношением

и составляет

.

5). Эффективными способами регулировки порогового напряжения являются:

а) применение поликремниевого затвора п⁺- или р⁺- типа;

б) подлегирование поверхности канала.