55

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 парыМДП 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 закрытыер-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

; (3.2.1)

(3.2.2) ()

В крутой обл. ВАХ: (3.2.3)

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

(3.2.3)  (3.2.2)  (3.2.1):

. ; ; . (3.2.4)

Интегрируем (3.1.4) от 0 до у (слева) и от до (справа):

. (3.2.5)

Это уравнение дает распределение потенциала в канале.

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

(3.2.6а)

Или: (3.2.6б)

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:

. (3.2.7)

Малосигнальные параметры вах.

V_DS

I_D

gdV_GS

GdV_DS

Крутизна ВАХ: .

Выходная проводимость: .

Собственный коэффициент усиления по напряжению:

.

В пологой области ВАХ: . (3.2.8)

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

3.3. Cобственные емкости мдп транзистора и поле в канале

В крутой области ВАХиз (3.2.5):

. (3.3.1)

Подставляя (3.3.1) в (3.2.3) и интегрируя по всему каналу, найдем суммарный заряд электронов в канале :

(3.3.2)

где — суммарная емкость затвор-канал,

.

В области отсечки.

В пологой областизаряд в канале такой же, как при.

Емкости:

С_{GS, GD}

2С_G /3

С_G

С_G /2

0 1

С_GS

С_GD

(3.3.3а)

(3.3.3б)

Продольное поле на границе со стоком:

. Из (4) При:

.

Подставляя сюда I_D из (6a), получим:

(3.3.4)

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