С другой стороны, нестабильность значений выходного напряжения и выходного сопротивления в насыщении (см. п. 5.13) делает частично обедненные КНИ МОПТ неудобным для аналоговых приложений.

8.5. Паразитный биполярный эффект

При дальнейшем увеличении смещения на стоке инжекция дырок в базу начинает преобладать над рекомбинацией, что приводит к повышению потенциала базы:

где емкость базы (тела) с частичным обеднением складывается из полной емкости верхнего и нижнего затворов и емкостей истока и стока (рис. 8.8).

Когда потенциал базы (т.е. прямое смещение базы относительно заземленного истока) достигает значения ~0.7 В, то pn-переход истока открывается, и реализуется режим паразитного биполярного транзистора.

Рис. 8.8. Эквивалентная емкостная схема изолированной базы КНИ транзистора

Электроны из истока устремляются в тело КНИ структуры, играющей роль базы паразитного биполярного транзистора. Часть электронов рекомбинирует с избыточными дырками, другая часть

198

электронов достигает стока КНИ МОПТ, играющего здесь роль коллектора.

Долю электронов, достигающую коллектор αT , имеющую

смысл коэффициента переноса для паразитной биполярной структуры, можно оценить через пуассоновскую вероятность диффузии из истока в сток без рекомбинации

где tD и tL – времена диффузии и жизни электрона в кремниевой базе, LG и LD – длина канала и диффузионная длина соответст-

венно. Коэффициент усиления паразитной биполярной структуры оценивается по стандартной формуле

Вотличие от настоящего биполярного транзистора, где αT очень близко к единице и β ~ 100, коэффициент усиления паразитной биполярной структуры имеет порядок β ~ 10.

8.6.Полностью обедненные КНИ МОПТ

ВКНИ МОПТ полностью обедненного типа обедненная область занимает всю толщину кремниевого тела и имеет фиксированный заряд. Электростатика таких транзисторов такова, что основные носители (дырки), инжектированные в базу, сразу прижимаются электрическим полем к pn-переходу истока, локально открывают его и быстро рекомбинируют с электронами, поступающими из истока. Поэтому в полностью обедненных приборах практически не происходит накопление основных носителей, и эффекты плавающего потенциала по сравнению с частично обедненными транзисторами практически отсутствуют.

Контакт подложки в полностью обедненном КНИ транзисторе можно рассматривать как своеобразный нижний затвор (back gate, BG), который можно использовать для юстировки порогового напряжения основного канала от верхнего затвора (front gate, FG) (рис. 8.9). Это объясняется тем, что полное обеднение означает отсутствие квазинейтральной области в базе КНИ транзистора. По-

199

этому в полностью обедненном КНИ транзисторе силовые электрические линии от верхнего затвора могут достигать нижнего затвора. Таким образом, нижний и верхний затвор оказываются электрически связанными через уравнение планарной электронейтральности многослойной структуры.

верхний затвор, FG

Рис. 8.9. Схематичная структура МОП транзистора КНИ структуры с заземленной подложкой. Рабочий канал формируется у границы с подзатворным окислом

Поверхностные потенциалы на двух границах раздела оказываются, таким образом, электрически связанными друг с другом. Это приводит к тому, что результаты измерения при изменении напряжения на верхнем затворе зависят от напряжения на нижнем затворе. Модели транзисторов с полным обеднением должны учитывать электростатическую связь двух затворов.

Прикладывая напряжение на верхний затвор (VGF ) либо на нижний затвор (VGB ), инверсионный слой в КНИ транзисторе может

быть получен как на границе раздела кремния с тонким подзатворным окислом, так и на границе раздела с толстым скрытым окислом. В полностью обедненных КНИ МОПТ нет возможности управлять пороговым напряжением с помощью легирования подложки, и поэтому в них желательно иметь металлические затворы с возможностью контролируемого изменения работы выхода

(см. п. 3.13).

200

8.7. Эффекты саморазогрева

Скрытый окисел сильно затрудняет отвод тепла в подложку. В результате КНИ структуры обладают большими тепловыми постоянными времени, и для них типичны эффекты т.н. саморазогрева. Повышение температуры функционирования из-за омического тепловыделения при больших токах приводит к снижению подвижности. Таким образом, в КНИ транзисторах часто наблюдаются эффекты отрицательного дифференциального сопротивления

(рис. 8.10).

Рис. 8.10. Эффекты саморазогрева в КНИ МОПТ при больших токах

Саморазогрев характерен для обоих типов КНИ МОПТ, но более ярко выражен в КНИ МОПТ с полным обеднением.

8.8. Влияние обратного напряжения на подложке на пороговое напряжение

Так же, как и в МОПТ объемной технологии, пороговое напряжение в полностью обедненных КНИ МОПТ может управляться напряжением на нижнем затворе (подложке). Напряжение на нижний затвор подается относительно заземленного истока, причем, в отличие от объемного МОПТ, диэлектрическая изоляция позволяет любую полярность напряжения. Например, нижний затвор, представляющий собой сильнолегированную подложку кремния, можно поддерживать в состоянии аккумуляции основных носителей (D), инверсии (I) и обеднения (D).

Схематический вид передаточных вольт-амперных характеристик изображен на рис. 8.11, где VBG является параметром. Каждая кривая может быть объяснена изменением этого управляющего па-

201