инвертированный слой (электроны)

Рис. 5.13. Энергетические диаграммы МОП - структуры при положительном напряжении на затворе

Заряд в пленке окисла может быть достаточным для наведения инверсного проводящего слоя и в отсутствие напряжения на затворе (uз = 0) Характеристики такого транзистора будут аналогичны характеристикам транзистора со встроенным каналом (рис. 5.10 а). В связи с этим следует заметить, что заряд в пленке SiO2 препятствует образованию наведенного р-канала на п-подложке. Поэтому транзисторы с индуцированным р-каналом в отличие от транзисторов с п-каналом заперты при uз = 0 и отпираются только при достаточном отрицательном смещении.

5.6. Вольтамперные характеристики МОП-транзисторов

Вольтамперные характеристики МОП-транзисторов похожи на характеристики транзисторов с управляющий р-п переходом: имеется ненасыщенная область и область насыщения. Отличия связаны с увеличением проводимости наведенного канала с ростом напряжения на затворе и с влиянием заряда в пленке окисла (рис.5.14). На характеристиках все напряжения отсчитываются относительно истока.

Рис. 5.14. Выходные характеристики МОП-транзисторов с n-каналом (а) и с р-каналом (б)

Транзистор с р-каналом начинает проводить ток при напряжении на затворе uз0 < 0 (uз0 – напряжение отсечки); для конкретности на рис. 5.14

uз0 = – 4 В.

Входные характеристики (рис. 5.15) более наглядно выявляют отличия транзисторов с п- и р-каналом.

Рис, 5.15. Входные характеристики МОП-транзистора

Проводимость п-канала при нулевом напряжении на затворе зависит от концентрации акцепторов в подложке. При сильном легировании заряд в пленке окисла уравновешивается зарядом акцепторов и подвижный заряд при uз = 0 оказывается небольшим или же совсем не наводится. Проводимость канала при uз = 0 будет малой (пунктир на рис. 5.15).

Концентрация доноров в п-подложке транзистора с наведенным р-каналом влияет на величину напряжения отсечки uз0. При увеличении легирования уменьшается толщина запорного слоя, наведенного зарядом в пленке окисла. Следовательно, увеличивается емкость затвор-подложка и уменьшается

характеристики МОП-транзистора с наведенным каналом. Сделаем ряд допущений. Пренебрежем контактной разностью потенциалов затворподложка, так как это повлияет лишь на начало отсчета напряжения на затворе. Влияние поверхностных состояний и ловушек на поверхности учтем совместно с влиянием заряда в пленке окисла, считая, что на единицу поверхности затвора приходится заряд qS. И, наконец, делается основное предположение, что весь наведенный вблизи поверхности полупроводника (подложки) заряд является подвижным и имеет подвижность, не зависящую от приложенного поля. Для конкретности рассмотрим случай наведенного п- канала. Конструкция канала с указанием размеров и координат изображена на рис. 5.16.

р

Рис. 5.16. Конструкция транзистора для аналитического рассмотрения

Толщина пленки окисла равна X0 и емкость единицы площади затвор-подложка равна C0 = E0 / X0. Ток в канале ic создает падение напряжения u(у) на расстоянии у от истока. Наведенный заряд под элементарной площадкой Bdy равен

E du y . dy

Интегрируя в пределах u(0) = 0, u(l) = uc с учетов того, что ток стока не зависит от у , получаем

Выражение (5.31) справедливо вплоть до смыкания канала (0 ≤ uc ≤ uз – uз0). Канал сомкнется при uc = uз – uз0. При насыщении ток равен

Входная характеристика в области насыщения квадратична: icн k2 uз uз0 2

и крутизна S k uз uз0 . Коэффициент k можно, отвлекаясь от конкретной модели (рис. 5.16) и решения (5.32), найти экспериментально или по паспортным данным: k S 2 2icн .

Эквивалентная схема МОП-транзистора аналогична схеме транзистора с управляющим р-п переходом (рис. 5.9).

Сопротивление утечки затвора очень велико. Это вызывает опасность пробоя затвора напряжением, вызываемым наведенными внешними полями зарядами. Пробой затвора опасен, так как может быть необратимым и вызвать короткое замыкание затвора. При толщине пленки Х0 =0,1 мкм напряжение на затворе 50 В создает напряженность поля 5·106 В/см, вызывающую пробой. В конструкцию МОП-транзисторов вводятся вспомогательные элементы, шунтирующие затвор и защищающие от необратимого пробоя (дополнительный диод или полевая структура, имеющие напряжение обратимого пробоя ниже предельно допустимого на затворе). Эти вспомогательные полупроводниковые элементы могут вызвать отклонения от расчетных вольтамперных характеристик.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников, М.,

Наука, 1977.

2.Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов, М., Энергия, 1973.

3.Епифанов Г. И. Физические основы микроэлектроники, М., Сов.

Радио, 1971.

4.Агаханян Т. М. Основы транзисторной электроники, М., Энергия,

1974.