ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С МДП СТРУКТУРОЙ Выполнил: Волхов Е.В. Гр. 21302 Типы и устройство полевых транзисторов Полевые, или униполярные, транзисторы в качестве основного физического принципа используют эффект поля. В зависимости от условий реализации эффекта поля полевые транзисторы делятся на два класса: полевые транзисторы с изолированным затвором: 1) 2) 3) 4) 5) МДП-транзисторы МНОП-элементы памяти МДП-транзисторы с плавающим затвором Приборы с зарядовой связью (ПЗС-структуры) МДП-фотоприемники полевые транзисторы с затвором в виде p-n перехода: 1) с затвором в виде барьера Шоттки 2) с затвором в виде обычного p-n перехода 3) с затвором в виде гетероперехода Эффект поля Эффект поля – это изменение концентрации свободных носителей в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля. Поскольку заряд свободных носителей или ионизованных доноров пространственно распределен в приповерхностной области полупроводника и эта область не является электронейтральной, она получила название область пространственного заряда (ОПЗ). В случае реализации эффекта поля источником внешнего электрического поля могут быть заряды на металлических пластинах вблизи поверхности полупроводника, заряды на границе и в объеме диэлектрического покрытия. Наличие электрического поля E(x) в ОПЗ меняет величину потенциальной энергии электрона в этой области. Величина разности потенциалов между квазинейтральным объемом и произвольной точкой ОПЗ получила название электростатического потенциала. Значение электростатического потенциала на поверхности полупроводника называется поверхностным потенциалом и обозначается ψs. Изменение концентрации свободных носителей в приповерхностной области полупроводника n-типа при наличии вблизи поверхности заряженной металлической плоскости. Обогащение концентрация свободных носителей в приповерхностной области возрастает: Рис. 1 Обеднение концентрация свободных носителей в приповерхностной области уменьшается: Рис. 1.1 Энергетические зоны на поверхности полупроводника n-типа: Рис. 2 В зависимости от направления и величины внешнего электрического поля, типа полупроводниковой подложки различают 4 различных состояния поверхности полупроводника: • • • • обогащение обеднение слабая инверсия сильная инверсия Обогащение - состояние поверхности полупроводника, когда поверхностная концентрация основных носителей больше, чем концентрация основных носителей в нейтральном объеме. • n-тип: ns > n0, зоны изогнуты вниз, ψs > 0 • p-тип: ps > p0, зоны изогнуты вверх, ψs < 0 Рис. 2.1 Обеднение - состояние поверхности полупроводника, когда поверхностная концентрация основных носителей меньше, чем концентрация основных носителей в квазинейтральном объеме, но больше, чем поверхностная концентрация неосновных носителей • n-тип: ps < ns < n0, зоны изогнуты вверх, ψs < 0, 0 <|ψs| <ϕ0 • p-тип: ns < ps < p0, зоны изогнуты вниз, ψs > 0 , 0 < ψs <ϕ0 Рис. 2.2 Слабая инверсия - состояние поверхности полупроводника, когда поверхностная концентрация неосновных носителей больше, чем поверхностная концентрация основных, но меньше, чем концентрация основных носителей в квазинейтральном объеме. • n-тип: ns < ps < n0, зоны изогнуты вверх ψs < 0, ϕ < |ψs| < 2ϕ0 • p-тип: ps < ns < p0, зоны изогнуты вниз ψs > 0, ϕ < ψs < 2ϕ0 Рис. 2.3 Сильная инверсия - состояние поверхности полупроводника, когда поверхностная концентрация неосновных носителей больше, чем концентрация основных носителей в квазинейтральном объеме. • n-тип: ps > n0, зоны изогнуты вверх, ψs < 0, |ψs| > 2ϕ0 • p-тип: ns > p0, зоны изогнуты вниз, ψs > 0, ψs > 2ϕ0 Рис. 2.4 Топология и основные элементы МДПтранзистора Рис. 3 Рис. 3.1 Подложка - монокристаллический полупроводник n- или p-типа, на котором изготавливается МДП-транзистор. исток/сток - две сильнолегированных области противоположного с подложкой типа проводимости. канал - область полупроводниковой подложки, находящаяся под затвором между истоком и стоком. подзатворный диэлектрик - диэлектрический слой, находящийся между затвором и каналом. Принцип работы МДП-транзистора Полевые транзисторы в активном режиме могут работать только в области слабой или сильной инверсии, т.е. в том случае, когда инверсионный канал между истоком и стоком отделен от квазинейтрального объема подложки областью обеднения. Та область в ОПЗ, где суммарная концентрация свободных носителей электронов и дырок меньше, чем концентрация ионизованной примеси, называется областью обеднения. Область в ОПЗ, где концентрация свободных неосновных носителей больше, чем основных, получила название инверсионного канала. Выбор знаков напряжений в МДПтранзисторе Для МДП-транзистора с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе VG = 0 канал между истоком и стоком отсутствует. Для формирования канала необходимо подать напряжение на затвор VG такого знака, чтобы на поверхности полупроводника сформировался инверсионный cлой. пороговое напряжение VT - напряжение на затворе VG, при котором происходит формирование инверсионного канала. МДП-транзистор с индуцированным каналом: Рис. 4 Напряжение, поданное на сток VDS, вызывает движение электронов в инверсионном слое между истоком и стоком. С точки зрения Транзисторного эффекта безразлично, в каком направлении в канале будут двигаться носители. Но, в то же время, напряжение VDS, приложенное к стоку, это напряжение, приложенное к стоковому p+-n переходу. При положительном знаке VDS > 0 это соответствует прямому смещению стокового p+-n перехода, а при отрицательном знаке VDS < 0 это соответствует обратному смещению p-n Перехода «сток – подложка». Схема p-канального МДП-транзистора в области плавного канала: Рис. 4.1 Напряжение, подаваемое на подложку VSS, управляет током в канале через изменение заряда в области обеднения QB, или, что то же самое, через изменение порогового напряжения VT. Для эффективного увеличения ширины области обеднения, следовательно заряда в области обеднения, необходимо подавать обратное смещение на индуцированный электронно-дырочный переход «канал – подложка». Для n-канальных транзисторов это условие соответствует отрицательному знаку напряжения на подложке VSS < 0, а для p-канальных транзисторов – положительному знаку напряжения VSS > 0. Схема p-канального МДП-транзистора в области плавного канала при наличии напряжения на подложке: Рис. 4.2 Эффект смещения подложки При приложении напряжения канал-подложка VSS происходит расширение области пространственного заряда между инверсионным каналом и квазинейтральным объемом, и для nканального транзистора увеличение заряда ионизованных акцепторов: Поскольку напряжение на затворе VGS постоянно, то постоянен и заряд на затворе МДП-транзистора Qm. Следовательно, из уравнения электронейтральности вытекает, что если заряд акцепторов в слое обеднения QB вырос,заряд электронов в канале Qn должен уменьшиться. С этой точки зрения подложка выступает как второй затвор МДП-транзистора, поскольку регулирует также сопротивление инверсионного канала между истоком и стоком. Транзисторный эффект Изменяя величину напряжения на затворе VG в области выше порогового напряжения, можно менять концентрацию свободных носителей в инверсионном канале и тем самым модулировать сопротивление канала Ri. Источник напряжения в стоковой цепи VDS вызовет изменяющийся в соответствии с изменением сопротивления канала Ri ток стока IDS, и тем самым Будет реализован транзисторный эффект. Ток в цепи «затвор – канал» – IG. Для полевых транзисторов с изолированным затвором ток затвора пренебрежимо мал, составляет величины пикоампер. По этой причине мощность, расходуемая на реализацию транзисторного эффекта в первичной цепи, практически нулевая. Характеристики МДП-транзистора в области плавного канала Рассмотрим полевой транзистор со структурой МДП, конфигурация и зонная диаграмма которого приведена на рисунке 5. Координата z направлена вглубь полупроводника, y – вдоль по длине канала и х – по ширине канала. Получим вольт-амперную характеристику такого транзистора при следующих предположениях: 1. Токи через р-n переходы истока, стока и подзатворный диэлектрик равны нулю. 2. Подвижность электронов μn постоянна по глубине и длине L инверсионного канала и не зависит от напряжения на затворе VGS и на стоке VDS. 3. Канал плавный, то есть в области канала нормальная составляющая электрического поля Еz существенно больше тангенциальной Еy. Рис. 5 Ток в канале МДП-транзистора, изготовленного на подложке р-типа, обусловлен свободными электронами, концентрация которых n(z). Электрическое поле Еу обусловлено напряжением между истоком и стоком VDS. Согласно закону Ома, плотность тока: (1) Проинтегрируя по ширине x и глубине z канала получим: (2) уравнение электронейтральности: Qм= Qох + Qт + QB • • • • Qm - заряд на металлическом электроде Qn – сумма зарядов свободных электронов QB – сумма зарядов ионизованных акцепторов в полупроводнике Qox - встроенный заряд в окисле Расположение зарядов в МДП-транзисторе рис 5.1 Qм = Cох ⋅Vох • • Vox – падение напряжения на окисном слое Сox – удельная емкость подзатворного диэлектрика падение напряжения в окисле равно Vox, в полупроводнике равно поверхностному потенциалу ψs, а полное приложенное к затвору напряжение VGS, то (3) • • Δφms – разность работ выхода металл – полупроводник ψs0 – величина поверхностного потенциала в равновесных условиях, т.е. при напряжении стока VDS = 0. Будем считать что: •ψs0 = 2φ0 •QB не зависит от поверхностного потенциала. •VТ - напряжение на затворе VGS, соответствующее открытию канала в равновесных условиях VT ≡ VGS(ψs = 2φ0, VDS = 0). (4) вольт-амперная характеристика полевого транзистора в области плавного канала: (5) Характеристики МДП-транзистора в области отсечки Поскольку максимальная величина напряжения V(y) реализуется на стоке, то смыкание канала, или отсечка, первоначально произойдет у стока. напряжением отсечки - напряжение стока VDS, необходимое для смыкания канала Условие смыкания канала: (6) Схема p-канального МДП-транзистора при напряжении на стоке, равном напряжению отсечки: Рис. 6 Схема p-канального МДП-транзистора при напряжении на стоке, большем напряжения отсечки: Рис. 6.1 Вольтамперная характеристика МДП-транзистора в области отсечки: (7) Проходные характеристики транзистора Рис. 7 Проходные характеристики МДП-транзистора при нулевом напряжении VSS = 0 В смещения канал-подложка (сплошные линии) и при напряжении VSS = -10 В (пунктирные линии): Рис. 7.1 переходные характеристики: Рис. 7.2 Влияние напряжения смещения канал-подложка VSS на переходные характеристики транзистора в области плавного канала VDS = 0,1 В: Рис. 7.3 Влияние типа канала на вольт-амперные характеристики МДП-транзисторов В том случае, если при нулевом напряжении на затворе VG = 0 инверсионный канал отсутствует, а по мере увеличения напряжения на затворе VG > VT появляется, такой инверсионный канал называют индуцированным. В том случае, если при нулевом напряжении на затворе VG = 0 инверсионный канал уже сформирован, такой инверсионный канал называют встроенным. Рис. 8 Малосигнальные параметры крутизна внутреннее сопротивление Коэффициент усиления (8) (9) (10) в области плавного канала: (11) Таким образом, необходимо отметить, что полевой МДП-транзистор как усилитель не может быть использован в области плавного канала. В области отсечки: (12) Подпороговые характеристики МДП-транзистора: Рис. 9 Рис. 10 Спасибо за внимание!