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 канала L' от истока до точки отсечки слабо отличается от истинной длины канала L и обычно . Это обуславливает в области отсечки в первом приближении ток стока I_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.

П ри 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 тока I_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 напряжением Uпи.

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 поле достигает 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 от Uси. Степень проявления этих эффектов зависит от многих фактов (толщина n+ - областей стока и истока, толщина d и диэлектрической проницаемости диэлектрика, размер ОПЗ под стоком и истоком . Критерий для 1-й и 2-й группы может быть обобщен эмпирическим соотношением: , где параметры и измеряются в мкм, а d 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 x отсутсвует

- Подвижность носителей заряда в канале постоянна

- Канал легирован однородно

- Обратные токи утечки p-n переходов пренебрежительно малы

- Поперечное электрическое поле Ex значительно превышает Ey

- 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 Qsn пор

- 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 от Uзк следует, что Cкп=Спи=Спс=0 => считаем наш транзистор 3х электродным прибором.

Точная модель имеет распределенный характер:

Емкость канала разбивается на n-равных частей Ci=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 от Uзи;

Uзи=Uз-Ui-1 и Uзс=Uз-Ui элементарного i-го транзистора, длинна канала каждого элемента равна Li=L/n

Простейшая модель n=2: - T-образная

С определенной точностью отражает перераспределение емкости Cg между 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 емкость C0-Cn+1, то при больших n точность модели не измениться.

Простейшая модель n=1: (П-образная)

П реимущества – нет внутренних узлов, один источник I, зависимость которого от Uзи, 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 и C’зс считают функциями Uзи,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 в раз 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.