2014_4434

тивления от напряжения на затворе, найти по (3.14) величину коэффициента усиления и построить график.

10. По графику выходных характеристик вычислить для всех пяти линий семейства в крутой области при UD = 0,1…0,2 В зависимость

проводимости от напряжения на затворе. Проверить соотношение (3.13), построив зависимоти крутизны (из п. 8) и проводимости от напряжения на затворе на одном графике.

Контрольные вопросы

1.В чем состоит назначение областей в конструкции ПТУП и сколько p–n-переходов она в себе содержит?

2.Поясните принцип действия полевых транзисторов с управляющим p–n-переходом.

3.Поясните, как зависит ширина ОПЗ под затвором от напряжения на затворе?

4.Объясните, каким образом изменяется форма ОПЗ под действием напряжения на стоке, и как от нее зависит форма проводящего участка канала?

5.Перечислите основные особенности выходных и передаточных ВАХ ПТУП.

6.Что называется напряжением отсечки и напряжением насыщения? От чего зависят значения этих напряжений?

7.Что называется крутизной полевого транзистора и каким образом ее можно определить графически?

8.Дайте определение удельной крутизны полевого транзистора и предложите методику определения по передаточным ВАХ ПТУП.

9.Объясните зависимость крутизны от конструктивных параметров и режима работы транзистора.

10.Объясните зависимость крутизны от напряжения на затворе и постройте ее график.

11.Объясните зависимость напряжения отсечки от степени легирования и размеров областей транзистора.

12.Почему ВАХ транзистора переходит из крутой области в поло-

гую?

13.От чего зависит положение границы крутой и пологой областей

ВАХ?

14.Поясните, в чем заключается эффект модуляции длины канала ПТУП и как он проявляется на ВАХ транзистора?

41

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ МОП-ТРАНЗИСТОРА

4.1. Цель и содержание работы

Цель работы – ознакомиться с ВАХ и основными дифференциальными статическими параметрами полевых транзисторов с изолированным затвором (МДП-транзисторов). В англоязычной литературе для них чаще всего используется сокращение MOSFET – Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor.

В работе измеряется пороговое напряжение МОПТ, его передаточные и выходные вольт-амперные характеристики, и по результатам измерений определяются статические дифференциальные параметры МОПТ: крутизна и выходная проводимость.

4.2. Принцип действия и основные параметры

4.2.1. Конструкция МДП-транзистора

МДП-транзисторы могут быть двух типов: со встроенным каналом и с индуцированным каналом [1–6, 11–14].

Транзисторы со встроенным каналом используются, как правило, во входных каскадах усилителей с большим входным сопротивлением. Транзисторы с индуцированным каналом являются основным элементом всех современных цифровых интегральных микросхем, в том числе и вычислительных устройств.

Интегральные схемы на основе МДП-транзисторов, в отличие от биполярных ИС, обладают более высокой плотностью размещения компонентов, гораздо меньшей мощностью потребления и низкой стоимостью.

42

Типичная схема конструкции и условное обозначение МДП-тран- зистора с индуцированным каналом n-типа, выполненного на p-подлож- ке представлены на рис. 4.1. В качестве подзатворного диэлектрика ча-

ще всего используется термически выращенный слой SiO2, поверх которого осаждается поликремниевый затвор. Этот затвор служит маской для формирования N+-областей истоков-стоков методом ионного легирования донорной примеси, например, фосфора или мышьяка. Данный технологический прием называется самосовмещенной технологией. Для регулирования величины порогового напряжения n-канальная подзатворная приповерхностная область МОПТ подлегируется примесью бора.

Управление током стока выходной цепи такого n-канального МДПтранзистора осуществляется с помощью положительного напряже-

ния UG , подаваемого на затвор. При определенной величинеUG ,

называемой пороговым напряжением, в тонкой области полупроводника (порядка 10 нм и менее), прилегающей к границе раздела Si/SiO2, из-

меняется тип проводимости (эффект инверсии поверхности), что приводит к образованию проводящего канала n-типа между истоком и стоком. На этом эффекте и основывается принцип работы МОПТ с индуцированным каналом (или обогащенного типа).

Рис. 4.1. Структура и условное обозначение МОПТ с индуцированным n-каналом:

S (Sourсe) – исток; D (Drain) – сток; G (Gate) – затвор; B (Bulk) – подложка; L – длина канала; d – толщина подзатворного диэлектрика; yj – глубина истока и стока

При подаче на затвор положительного напряжения поле затвора направлено от затвора в подложку и оно проникает в полупроводник,

43

образуя в нем область пространственного заряда. Дырки в ОПЗ будут перемещаться вдоль поля в глубь полупроводника, а электроны,

наоборот, начнут смещаться полем к границе Si/SiO2 . Так как элек-

троны не могут перейти через слой диэлектрика в электрод затвора, их концентрация у поверхности полупроводника начнет увеличиваться. В результате дальнейший рост напряжения UG приводит к инверсии поверхности. Это значит, что возникает такое ее состояние, когда концентрация электронов у поверхности становится равной поверхностной концентрации дырок (слабая инверсия), а затем начинает превышать концентрацию дырок в объеме полупроводника (сильная инверсия). При этом на поверхности образуется инверсионный канал n-типа, соединяющий области истока и стока. Теперь при подаче напряже-

ния UD , действующего между стоком и истоком, в выходной цепи транзистора потечет ток стока ID .

4.2.2.Физика МДП-структуры и пороговое напряжение

Зонная диаграмма МДП-структуры в состоянии инверсии поверхности для полупроводника р-типа, а также ее различные электростати-

где 0 – разность работ выхода из металла и полупроводника, или

контактная разность потенциалов МДП-структуры, выраженная в вольтах;UOX ;USI – падения напряжения на слое диэлектрика и полу-

проводника.

Согласно условию электронейтральности для МДП-конденсатора

где QM , QOX , QSS , QSI – удельные (на единицу площади поверхности)

заряды металлического затвора, встроенный заряд в окисле, заряд поверхностных состояний и заряд в объеме полупроводника соответственно. С учетом (4.2) и того, что геометрическая емкость диэлектри-

ка Cd толщиной dOX (и eОХ 3,8 дляSiO2 ) есть

44

Рис. 4.2. Зонная диаграмма (а) реальной МДП-структуры с подложкой p-типа при пороговом напряжении UG UT : S – поверхностный потен-

циал ( S USI ); V – объемный потенциал подложки; EFP – уровень Ферми в подложке; EFМ – уровень Ферми в металле после смещения затвора; Ei – собственный уровень Ферми; dIN – толщина инверсного слоя;

dОПЗ – максимальная толщина ОПЗ, а также электростатические характе-

ристики МДП-структуры: б – распределение объемного заряда; в – распределение поля; г – распределение потенциала

45

Сd QM UOX 0 OX dOX ,

соотношение (4.1) можно представить в виде

где 0 – разность работ выхода из металла и полупроводника (выра-

женная в вольтах) или контактнаяразность потенциалов МДП-структуры. Не зависящие от напряжения UG в (4.3) составляющие можно объ-

единить в специальном параметре, называемом напряжением плоских зон (Flat Band) UFB :

Плотность заряда поверхностных состояний QSS приблизительно равна 5 1011 см-2, 2 1011 см-2, 9 1010 см-2 для кристаллов кремния с ориентацией (111), (110) и (100) соответственно.

Величина заряда в диэлектрике может быть определена на основе уравнения Пуассона по его плотности распределения OX (x) в виде

[1–6, 11–14]:

Физический смысл напряжения плоских зон состоит в том, что когда на затворе смещение составляет UG=UFB, то зонная диаграмма имеет идеальный вид без каких-либо изгибов зон. Такое ее состояние называется состоянием плоских зон. По сути, роль напряжения плоских зон при анализе МДП-структуры аналогична роли контактной разности потенциалов в p–n-переходе. Очевидно, что в состоянии плоских

зон USI 0 и QSI 0 .

46

Как показано на рис. 4.2, б в состоянии сильной инверсии объемный заряд полупроводника QSI состоит из инверсного заряда электро-

нов Qn и объемного заряда акцепторов в ОПЗ QОПЗ. С учетом этого из (4.5) следует, что

ns pp NA (состояние сильной инверсии). В приближении теплового равновесия это означает (см рис. 4.2, а), что

где dОПЗ – толщина ОПЗ под инверсным каналом

47

а s = 11,8 – диэлектрическая проницаемость кремния.

Далее, пренебрегая зависимостью заряда поверхностных состояний от поверхностного потенциала, можно получить, что

где UT – пороговое напряжение.

Проведенный выше анализ основывался на предположении о том, что подложка МДП-структуры не смещена, т. е. потенциал на ее оми-

ческом контакте UB равен нулю. В общем случае, это не так. Поэтому

для учета влияния омического потенциала подложки вводится коэффициент подложки K такой, что:

Обозначив USI (inv) i как потенциал инверсии, запишем, что

UT UFB Qa i ,

Cd

и с учетом (4.13) получим

При потенциале подложки UB , не равном нулю, пороговое напряжение есть

Сдвиг порогового напряжения UT , обусловленный смещением подложки UB , можно представить в виде [1, 11–14]

Эта формула используется для экспериментальной инженерной оценки коэффициента влияния подложки K , который наряду с UT

относится к основным параметрам МДП-структуры.

Можно приближенно линеаризовать зависимость в (4.15), используя понятие емкости подложки [1, 11–14]:

где Cb – линейный коэффициент влияния подложки.

СвязьCdмежду коэффициентом подложки K и линейным коэффициентом влияния подложки определяется следующим соотношением:

K . 2 i

4.2.3.Вольт-амперная характеристика МДП-транзистора

Выражение для дрейфового тока стока ID может быть получено интегрированием исходного равенства:

часть поверхностного потенциала, создаваемая стоковым напряжением.

Стоковый потенциал (x) создает в точке х тянущее поле для

электронов. Одновременно он уменьшает заряд электронов вдоль канала, так как при его увеличении от истока к стоку увеличивается напряжение между затвором и каналом:

Qn Cd (UG UFB i (x)) Qa ,

49

заряд акцепторов под каналом [1–6, 11–14].

Интегрирование (4.17) выполняется после разделения переменных в пределах по x от 0 до L и в пределах по от 0 до UD . Оно дает из-

вестную формулу [13]:

Упрощая выражение (4.18) [13] при малых напряжениях стока, получаем, что

Это уравнение справедливо лишь для той области значений параметров, в которой инверсный слой существует на всем протяжении от

Граница крутой и пологой областей выходных ВАХ UD UDS

имеет место при таком значении потенциала (L) , при котором заряд

электронов в прилегающей к стоку области канала становится равным нулю (явление отсечки канала) [13]:

50