Характеристики мдп в области отсечки

Как следует из уравнения (6.9), по мере роста напряжения исток‑сток V_DS в канале может наступить такой момент, когда произойдет смыкание канала, т.е. заряд электронов в канале в некоторой точке станет равным нулю. Это соответствует условию:

. (6.11)

Поскольку максимальная величина напряжения V(y) реализуется на стоке, то смыкание канала, или отсечка, произойдет у стока. Напряжение стока V_DS, необходимое для смыкания канала, называется напряжением отсечки V_DS^*. Величина напряжения отсечки определяется соотношением (6.11). На рисунке 6.4 показаны оба состояния – состояние плавного канала и отсеченного канала. С ростом напряжения стока V_DS точка канала, соответствующая условию отсечки (6.11), сдвигается от стока к истоку. В первом приближении при этом на участке плавного канала от истока до точки отсечки падает одинаковое напряжение , не зависящее от напряжения исток‑сток. Эффективная длина плавного каналаL' от истока до точки отсечки слабо отличается от истинной длины канала L и обычно . Это обуславливает в области отсечки в первом приближении ток стокаI_DS, не зависящий от напряжения стока V_DS. Подставив значение напряжения отсечки V_DS^* из (6.11) в (6.10) вместо значения напряжения стока V_DS, получаем для области отсечки выражение для тока стока:

. (6.12)

Соотношение (6.12) представляет собой запись вольт-амперной характеристики МДП‑транзистора в области отсечки. Зависимости тока стока I_DS от напряжения на затворе V_GS называются обычно переходными характеристиками (рис. 6.5), а зависимости тока стока I_DS от напряжения на стоке V_DS – проходными характеристиками транзистора.

При значительных величинах напряжения исток‑сток и относительно коротких каналах (L = 10÷20 мкм) в области отсечки наблюдается эффект модуляции длины канала. При этом точка отсечки смещается к истоку и напряжение отсечки V_DS^* падает на меньшую длину канала. Это вызовет увеличение токаI_DS канала. Величина напряжения ΔV, падающая на участке ΔL от стока отсечки, будет равна:

. (6.13)

Рис. 6.4. Зависимость тока стока I_DS от напряжения на стоке V_DS для МОП ПТ при различных напряжениях на затворе. Пороговое напряжение V_T = 0,1 В. Сплошная линия – расчет по (6.10) и (6.12), точки – экспериментальные результаты

Поскольку напряжение ΔV падает на обратносмещенном p‑n⁺ переходе, его ширина ΔL будет равна:

. (6.14)

Ток канала равен I_DSº, когда напряжение исток‑сток равно напряжению отсечки и величина ΔL = 0. Обозначим I_DS ток стока при большем напряжении стока:.

Тогда

. (6.15)

Следовательно, ВAX МДП‑транзистора с учетом модуляции длины канала примет следующий вид:

. (6.16)

Рис. 6.5. Зависимость тока стока I_DS от напряжения на затворе V_GS в области плавного канала при V_DS = 0,1 B – кривая 1; зависимость корня из тока стока от напряжения на затворе в области отсечки – кривая 2

Эффект модуляции длины канала оказывает большое влияние на проходные характеристики МДП‑транзистора с предельно малыми геометрическими размерами.

34. Эффекты короткого и узкого канала в мдп-транзисторе.

Соотношения (1)-(5) определяющие ВАХ МДП-транзистора, показывают, что ток стока не изменяется при пропорциональном изменении длины L и ширины Z канала.

, (1) где (2)

(3)

(4) где с учетом (2) (5)

Такая ситуация имеет место когда размеры L и Z велики. При уменьшении указанных размеров эта закономерность нарушается, а также может измениться сам вид ВАХ вследствие ряда причин, которые можно разделить на три группы:

1. Эффекты, связанные с влиянием краевых областей ОПЗ (область пространственного заряда) под контактами стока и истока, а также краевых областей ОПЗ, расположенных вдоль канала, на распределение электрического поля под затвором. Проявления:

• Изменение Uпор;

• Изменение коэффициента (определяющего масштаб ВАХ);

• Изменение зависимости Iс от Uси в пологой области ВАХ.

2. Эффекты, связанные с разогревом носителей в сильных электрических полях. При этом изменяются из кинетические характеристики и появляется возможность проникновения носителей в диэлектрик.

3. Эффекты, возникающие вследствие появления новых механизмов протекания тока в цепи стока – исток, связанных с близким расположением электродов стока и истока. Проявления: резкое увеличение Iс при повышении Uси (близко к явлению пробоя).

Влияние на пороговое напряжение.

При уменьшении длины затвора пороговое напряжение МДП-транзисторов с n-каналом уменьшается, с p-каналом – увеличивается. В обоих случаях это приводит к увеличению тока стока в заданном электрическом режиме. Сдвиг порогового напряжения обусловлен уменьшением абсолютной величины полного заряда примесных ионов под затвором. При малых значениях ширины канала Z на величину Uпор оказывают влияние краевые эффекты на боковой границы затвора.

. Как видно из формулы из формулы сдвиг Uпор определяется главным образом свойствами подзатворного диэлектрика , а также напряжениемUпи.

В транзисторах с узким каналом пороговое напряжение изменяется при уменьшении ширины канала вследствие увеличения по абсолютной величине суммарного заряда ионов подложки в ОПЗ. Для n-канальных транзисторов уменьшение ширины канала приводит к увеличению Uпор, для p-канальных – к уменьшению.

Насыщение дрейфовой скорости носителей в канале.

При уменьшении длины канала возрастает напряженность продольного электрического поля в канале , определяющего дрейфовый ток в канале. Когда поледостигает значений, достаточных для существенного разогрева носителей заряда на длине свободного пробега, вступают в действие новые механизмы из рассеяния. Это приводит к снижению подвижности и уменьшению напряжения насыщения, вследствие ограничения дрейфовой скорости носителей заряда.

Подпороговый ток.

При уменьшении длины канала подпороговый ток слабее уменьшается при запирании транзистора по затвору. Это является вследствие увеличения эффективной удельной емкости полупроводника. Ic в пологой области возрастает с Uси вследствие уменьшения эффективной длины канала. Это приводит к уменьшению собственного коэффициента усиления по напряжению.

Эти эффекты относятся к 1-й и 2-й группам. К 3-й группе относятся следующие два эффекта:

1. Разогрев носителей заряда в сильных электрических полях делает возможным их проникновение в подзатворный диэлектрик. Этот эффект увеличивает Uпор для n-канальных транзисторов и уменьшает для p-канальных, а также ухудшает стабильность характеристик транзисторов.

2. Близкое расположение контактов стока и истока приводит к эффектам смыкания канала и включения паразитного биполярного транзистора. Эти эффекты проявляются на выходных характеристиках подобно пробою.

Эффекты короткого канала 1-й и 2-й группы проявляются в нарушении зависимости , а также в зависимости подпорогового тока отUси. Степень проявления этих эффектов зависит от многих фактов (толщина n+ - областей стока и истока, толщина d и диэлектрической проницаемости диэлектрика, размер ОПЗ под стокоми истоком. Критерий для 1-й и 2-й группы может быть обобщен эмпирическим соотношением:, где параметры и измеряются в мкм, аd в ангстремах.

35. Эквивалентная схема МДП-транзистора. СВЧ-характеристики.

Реактивные и паразитные элементы в МДП-транзисторе

Эквивалентная схема идеализированного МДП-транзистора строится на основе следующих допущений:

- Диффузионный ток в канале в направлении оси xотсутсвует

- Подвижность носителей заряда в канале постоянна

- Канал легирован однородно

- Обратные токи утечки p-nпереходов пренебрежительно малы

- Поперечное электрическое поле Exзначительно превышаетEy

- Сопротивление n+ областей стока и истока, а также сопротивление омических контактов к этим областям малы

- Поверхностная плотность заряда ионов в ОПЗ под затвором постоянна и равна Qsnпор

- Длинна и ширина канала достаточно велики

Будем считать, что краевые емкости Cкр.зс и Скр.зи =0. Считаем, что из независимости заряда ионов в положке отUзк следует, чтоCкп=Спи=Спс=0 => считаем наш транзистор 3х электродным прибором.

Точная модель имеет распределенный характер:

Емкость канала разбивается на n-равных частейCi=Cg/(n-1) 1=<i<=n-1 (Cg– емкость диэлектрика).

Cg=CsgLZ

I₁

Uи=U₀

U₁

U₂

Uс=U_n

I_n-1

I₂

U_n-1

U_n-2

I_n

C₀

C₁

C₂

C_n

C_n-2

C_n-1

(рис.1)

Статистическая ВАХ каждого участка моделируется генераторами тока Ii, зависящего отUзи;

Uзи=Uз-Ui-1 иUзс=Uз-Uiэлементарногоi-го транзистора, длинна канала каждого элемента равнаLi=L/n

Простейшая модель n=2: -T-образная

С определенной точностью отражает перераспределение емкости Cgмежду стоком и истоком. Подробный анализ такой модели показывает, что погрешность по сравнению с (рис.1)составляет не более 20% по длительности переходных процессов (статистические характеристики – с одинаковой точностью)

Если разбить в рассмотренной модели емкость затвора на n+1 емкостьC0-Cn+1, то при большихnточность модели не измениться.

Простейшая модель n=1: (П-образная)

Преимущества – нет внутренних узлов, один источникI, зависимость которого отUзи,Uзс – статистическая ВАХ.

Однако, если положить С’зи=C’зс=Cg/2 – модель не будет описывать перераспределение емкости между стоком и истоком, поэтому С’зи иC’зс считают функциямиUзи,Uзс

После расчетов:

где

Высокочастотные характеристики идеализированного транзистора.

Реактивные элементы в эквивалентных схемах приводят к ухудшению усилительных свойств МДП-транзисторов при работе на гармоническом сигнале малой амплитуды. Рассмотрим частотные характеристики на пологой области ВАХ ()

; ;

где - комлексная крутизна ВАХ.

- граничная частота, при которой изменяется враз по сравнению с низкочастотным

- предельная частота, на которой можно получить усиление в цепи идентичных каскадов; - коэффициент усиления, при, найдем- предельная частота в 2.5 раза меньше граничной.

- время пролета через канал от истока к стоку. (Qn– суммарный заряд)

Для пологой области ВАХ имеем:

Это соотношение показывает быстродействие МДП-транзистора, зависящее от подвижности носителей заряда и от длины затвора, поэтому длин затвора стараются уменьшить. Быстродействие транзистора также возрастает при увеличении напряжения затвор-исток, что связано с энергетическими затратами. Возможности увеличения быстродействия ограничены насыщением дрейфовой скорости носителей в сильных электрических полях. Минимально достижимое время пролета

36.Логические элементы на основе транзисторов. Комплементарная пара МДП-транзисторов.

Опр. Логическими элементами или логическими вентилями называют электронные схемы, выполняющие простейшии логические операции.

Интегральные логические элементы(ИЛЭ) составляют основу (элементную базу) более сложных ИС(интегральных схем).

Схемные варианты ИЛЭ принято транзисторными логиками(ТЛ).

В схемах, реализующих логические функции,т.е. логических элементах, логические нули и единицы представлены разными значениями напряжения: напряжением или уровнем нуля U⁰ и напряжением или уровнем единицы U¹.

Логика бывает «положительной», если U¹> U⁰ и «отрицательной», если U¹< U⁰.

Логический перепад: U_л= U¹-U⁰.

*Резисторно-транзисторная логика(РТЛ)

В основе ИЛЭ этого типа лежит параллельное соединение обычных транзисторных ключей и использование общей коллекторной нагрузки.

Штриховая линия: транзисторы входящие в состав других аналогичных логических элементов.

В положительной логике схема выполняет функцию:ИЛИ-НЕ

U¹=E_k-I_б*R_к

Логический перепад для схемы РЛТ:

U_л= E_k-I_б*R_б-U_ост

Логическая функция в РЛТ-элементе выполняется «по выходу», т.е. сначала осуществляется инверсия входных сигналов на обычных транзисторных ключах, затем на нагрузочном резисторе R_к реализуется функция И.В такой интерпретации логическая функция данного элемента C=A*B. Данная запись эквивалентна функции С=A+B, которая обычно и используется для описания логических функции РЛТ-элемента.

Схемы РЛТ использовались на первом этапе развития микроэлектроники.Но в ИС они были не перспективны: большое количество резисторов, занимающих большую площадь + низкое быстродействие.

*Транзитивно-транзисторная логика(ТТЛ)

Рис.Логический элемент ТТЛ-используется входной многоэмиттерный транзистор.

В современных ИС используются оба варианта.

U⁰=U_ост≈0,1В

Уровень выходного напряжения меняется с U¹ до U⁰ только при поступления уровня U¹ на все входы. Схема ТТЛ в положительной логике выполняет функцию И-НЕ.Но в отрицательной логике схема ТТЛ выполняет функцию ИЛИ-НЕ.

U_л= E_k-U_ост≈ E_k

Преимущества логики:

Гипкость и универсальность основной схемы ТТЛ

Недостатки:

1. Усиление тока I₀ в (В_I+1) раз =>значительное возрастание входного тока при уровне U¹ на входе.РЕШЕНИЕ:снизить до В_I <0.01, путем шунтирования коллекторных переходов диодами Шотки.

2. Малая нагрузочная способность.РЕШЕНИЕ: вместо простого инвертора, состоящего из одного транзистора, используется сложный инвертор, состоящий из трех транзисторов и диода(схема ТТЛ-3)

*Интегрально-инжекционная логика(И²Л)

По существу является еще одной, наиболее совершенной модификацией схемы РТЛ

Характерная особенность: индивидуальное питание базы каждого транзистора от «своего генератора тока»

Термин инжикционное питание принятый для данного типа ИЛЭ,питающие токи I^* получаются благодаря инжекции дырок через эмиттерный переход p-n-p транзистора.

Преимущества логики:

1. Малое напряжение питания

2. Требование к коэффициенту усиления базового тока минимальные (Усливие выполняется притоках 5-10мкА).

3. Отсутствие изолирующих карманов (т.е. экономия площади)

4. Отсутствие резисторов (экономия площади,уменьшение времени задержки)

5. Малая емкость коллектора.

1)+2)=>резкое уменьшение потребляемой мощности.

U¹≈0,7В для И²Л

*Эмиттерно-связная логика (ЭСЛ)

U¹=E_k-U^*

U⁰=E_k-2*U^*

U_л=U^*≈0.7В

E₀=E_k-3/2*U^*-напряжение смещения

Схеме ЭСЛ свойственна функция : ИЛИ-НЕ/ИЛИ

Где ИЛИ-НЕ на С, а ИЛИ на D.

*МОП-транзисторная логика на комплиментарных транзисторах (КМОП-логика или КМОПТЛ)

Основное достоинство: изменение выходного напряжения не связано с изменением тока => ничтожная потребляемая мощность.

Закономерность структуры МОП логических элементов: параллельное соединение одного типа транзисторов сопровождается последовательным соединением транзисторов другого типа.

Можно считать что U¹=E_c, U⁰=0, U_л=E_с

Преимущества:

Малые рабочие напряжения по сравнению с МОПТЛ, и более высокое быстродействие.