Гнучев Н.М. Полевые транзисторы (1). Полевые транзисторы полевые транзисторы
 Скачать 461.62 Kb.
|
|
5.2.1. Режим обеднения Если напряженность поля невелика и ее вектор направлен к поверхности полупроводника p-типа, (рис. 11, а), то основные носители (дырки) оттесняются вглубь кристалла и их концентрация у поверхности заметно уменьшается (рис. 11, б). При этом неосновные носители (электроны) притягиваются из объема кристалла к поверхности, но из-за небольшой напряженности поля (рис. 11, в) их концентрация у поверхности остается пренебрежимо малой. В результате возникает слой толщиной L об , обедненный основными носителями, в котором сосредоточены некомпенсированные отрицательные ионы акцепторов. д) Рис. 11. Режим обеднения ( а – г ) и инверсии ( д – з ) приповерхностной а) области полупроводника p- типа при воздействии е) б) внешнего электрического поля, перпендикулярного к поверхности ж) в) г) з) На рис. 11, г показана энергетическая диаграмма обедненного слоя. Энергетические зоны кристалла у поверхности в пределах слоя толщиной L об изгибаются вниз, что соответствует увеличению энергии дырок и уменьшению энергии электронов. Уровень Ферми расположен ниже середины запрещенной зоны и остается постоянным, так как система находится в равновесии (ток через полупроводник отсутствует). Следовательно, тип проводимости полупроводника по всей толщине одинаков. Видно, что расстояние между потолком валентной зоны и уровнем Ферми E F E V увеличивается, а расстояние от уровня Ферми до дна зоны проводимости E C E F уменьшается на одинаковую величину e пов . Соответственно, (см. формулы (2.7) и (2.8) оранж. кн. ) это приводит к уменьшению поверхностной концентрации дырок и к увеличению поверхностной концентрации электронов: пов 0 пов e kT p р p e ; пов 0 пов e kT p n n e Режим обеднения будет сохраняться, пока поверхностная концентрация электронов не превысит поверхностную концентрацию дырок: n пов > p пов . Равенству этих концентраций соответствует пороговое значение поверхностного потенциала (с учетом, что 0 0 0 2 A p p p N p p n n i ): 0 0 0 A A пор 2 ln ln ln 2 2 p p p i i p N p N kT kT kT e n e n e n Окончательно, A пор ln i N kT e n . (5.3) 5.2.2. Режим инверсии При дальнейшем увеличении напряженности поля поверхностный потенциал становится больше порогового, и в приповерхностном слое возникает режим инверсии типа проводимости (рис. 11, д – з). В этом режиме поверхностная концентрация неосновных носителей (в нашем случае электронов) значительно превышает концентрацию основных носителей (рис. 11, е). Толщина инверсного слоя очень мала и определяется величиной дебаевского радиуса экранирования L D Например, как указывалось выше, в n-кремнии с концентрацией донорной примеси 10 16 см 3 L D ≈ 0,04 мкм. На рис. 11, з, показана энергетическая диаграмма полупроводника p-типа в режиме инверсии. Видно, что изгиб энергетических зон вниз значительно больше, чем в режиме обеднения, и у поверхности уровень Ферми находится выше середины запрещенной зоны. Такое положение соответствует энергетической диаграмме донорного полупроводника. 5.2.3. Режим обогащения При ориентации вектора напряженности электрического поля в противоположную сторону основные носители (дырки) будут притягиваться к поверхности; их концентрация станет выше, чем в объеме. Такое состояние приповерхностного слоя называется режимом обогащения. В обогащенном приповерхностном слое концентрация дырок значительно превышает концентрацию акцепторов. Если ввести теперь в рассмотрение поверхностный заряд, то его знак и величина будут определять состояние приповерхностного слоя полупроводника в отсутствие внешнего электрического поля. Поверхностный заряд можно считать сосредоточенным на плоскости, поэтому вместе с индуцированным зарядом противоположного знака он создает однородное электрическое поле с напряженностью пов пов 0 Q , (5.4) где Q пов поверхностный заряд, приходящийся на единицу площади поверхности, ε 0 системная электрическая постоянная, ε диэлектрическая проницаемость полупроводника. Это означает, что заряд Q пов изменяет концентрацию носителей в приповерхностной области полупроводника точно так же, как внешнее электрическое поле с напряженностью пов 0 Q Таким образом, в полупроводнике, в зависимости от знака и величины поверхностного заряда, на глубине порядка дебаевского радиуса экранирования может образовываться либо обедненный, либо инверсный, либо обогащенный слой. МДП-ТРАНЗИСТОР С ИНДУЦИРОВАННЫМ КАНАЛОМ Устройство и подключение к источникам напряжений транзистора с индуцированным каналом n-типа показаны на рис. 8, а. На затвор подается положительное напряжение затвор-исток U зи . Так как p- подложка электрически соединена с выводом истока, то это напряжение создает электрическое поле, перпендикулярное границе между диэлектриком и полупроводником. При увеличении напряжения U зи такой полярности поверхностный потенциал полупроводника p-типа может превысить пороговое значение ( ), и под затвором появляется инверсный слой с проводимостью n-типа, образующий проводящую перемычку (канал) между n + -областями истока и стока. Важно, чтобы затвор полностью перекрывал промежуток между областями истока и стока (см. рис. 8, а ), т.к. в противном случае цепь исток-сток останется разорванной. I c Рис.12. Передаточные характеристики МДП-транзистора c индуцированным каналом n -типа при двух значениях напряжения сток-исток в рабочей области: U си2 > U си1 . В случае p -канала кривые располагаются зеркально в области отрицательных значений U зи Напряжение U зи , при котором достигается пороговое значение поверхностного потенциала и начинается формирование индуцированного канала, называется пороговым напряжением U пор . Ток в цепи стока появится только при условии U зи ≥U пор (см. рис. 12 ). При увеличении U зи > U пор концентрация основных носителей (электронов) в образовавшемся n-канале растет, и ток стока увеличивается. При напряжениях U зи , меньших порогового значения, канал отсутствует, и ток стока можно считать равным нулю, т.к. в этом случае существует только очень малый ток обратно смещенного n + -p перехода у стока. U зи 2 1 0 U пор Форма выходных статических характеристик транзистора с индуцированным каналом (рис. 13 ) такая же, как и для полевого транзистора с управляющим переходом (на рисунке не указана область лавинного пробоя…). На начальном линейном участке при малых напряжениях сток-исток сопротивление канала можно считать приблизительно постоянным. Замедление роста тока и последующий выход на пологий участок связаны с процессами, происходящими в канале при увеличении U си Рис. 13 Выходные статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом. Напряжение затвор-исток возрастает с увеличением номера кривой; U зи1 > U пор I c Так же, как и в транзисторе с управляющим переходом, при протекании тока потенциал проводящего n-канала относительно затвора повышается по мере приближения к стоку. Величины напряжений, формирующих канал: у истока: U зи > U пор ; у стока: U зи – U си . Это означает, что напряженность электрического поля, создающего инверсный слой, и соответственно концентрация электронов в канале уменьшаются по мере приближения к стоковому концу в тем большей степени, чем выше напряжение сток-исток. Увеличение сопротивления канала приводит к тому, что нарастание тока стока с ростом U си замедляется (участок А-Б, рис. 13 ) Дальнейшее возрастание U си приведет к тому, что непосредственно у n + -области стока поверхностный потенциал ( ) снизится до пороговой величины, и в этой точке индуцированный канал исчезнет (см. рис…14., а). Иначе говоря, напряжение, формирующее индуцированный канал, снижается в этой точке до порогового значения. Соответствующее значение напряжения сток-исток называется напряжением насыщения U си нас : U зи – U си нас = U пор U си 0 В 4 Б 3 2 А 1 Рис. 14…. Изменения, происходящие в индуцированном канале полевого транзистора при увеличении напряжения сток-исток и постоянном напряжении U зи : Кружками обозначены ионы акцепторов. Стрелки указывают направление и величину вектора поперечного электрического поля, создающего инверсный слой. а) U си = U си нас б) U си >U си нас На рис. б) подложка также отделена от канала ионами акцепторов. Напряжение насыщения соответствует точке перехода выходной характеристики от нарастания к пологому участку: U си нас = U зи – U пор Видно, что напряжение насыщения растет с увеличением напряжения на затворе (см. штриховую линию на рис. 13 ). При дальнейшем росте напряжения сток-исток увеличивается длина «перекрытой» части канала Δl п , (рис.14 , б). В пределах этого отрезка напряжение, формирующее канал, меньше порогового, и инверсный слой не образуется. Более того, в тех точках канала, где падение напряжения за счет протекания тока превышает напряжение U зи , вектор электрического поля, перпендикулярного каналу ε , меняет направление на 180 ° из-за смены знака разности потенциалов (рис.15). Тем не менее, несмотря на отсутствие индуцированного канала на длине Δl п , ток стока не прекращается: при увеличении U си на выходных характеристиках наблюдается участок насыщения. Рис. 15 . Распределение продольной и поперечной ε ε составляющих электрического поля по длине канала при его частичном перекрытии n + n + исток затвор сток p-Si Δl п б) затвор исток сток n + n + p-Si а) ε ε ε x Δl п Ограничение и небольшой рост тока стока в области U си > U си нас связаны с одновременным действием нескольких факторов. Во-первых, основное падение приложенного напряжения U си (U си − U си нас ) приходится на перекрытую часть канала, обладающего высоким сопротивлением, и поэтому электрическое поле здесь столь велико (см. рис. 15), что электроны, находящиеся в канале у точки перекрытия, захватываются этим полем и перебрасываются в сток. Во-вторых, напряженность продольного электрического поля в перекрытой части канала достигает критического значения [ ], при превышении которого скорость дрейфа носителей в полупроводнике перестает увеличиваться или продолжает расти очень слабо с увеличением ε Повышение температуры слабо влияет на характеристики и параметры полевых транзисторов, т.к. это – приборы, «работающие» на основных носителях. Тем не менее, существующая зависимость передаточных характеристик ПТИЗ с индуцированным каналом от температуры позволяет установить режим работы транзистора, при котором возникает так называемая «термостабильная точка» С (рис. 16 ): параметры транзистора в этом режиме практически не зависят от температуры. I c 2 Рис. 16. Изменение передаточной характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом при повышении температуры; T 2 > T 1 T 1 1 T 2 C 0 U зи Такое явление обусловлено двумя причинами. С одной стороны повышение температуры приводит к уменьшению подвижности носителей в канале, что вызывает уменьшение тока стока. С другой стороны, при этом концентрация неосновных носителей (строго говоря, электронно-дырочных пар) увеличивается за счет тепловой генерации, и уровень Ферми сдвигается к середине запрещенной зоны. В таком случае инверсия типа проводимости и образование индуцированного канала наступит при меньшей напряженности внешнего поля, т.е. при меньшем напряжении затвор-исток. Если транзистор имеет отдельный вывод подложки, то появляется возможность двойного управления током стока (рис. 17 ): с увеличением отрицательного по отношению к истоку (и каналу) напряжения на подложке происходит уменьшение поперечного сечения канала. Особенностью механизма управления током стока по подложке является то, что индуцированная n-область канала не содержит ионов доноров, и управляющий p–n-переход подлодка-канал отсутствует. Сужение канала происходит из-за увеличения плотности отрицательного объемного заряда ионов акцепторов на границе с каналом: электроны в канале оттесняются вверх к границе с диэлектриком и поперечное сечение канала уменьшается. В транзисторе со встроенным каналом (см. рис.8 , б) между ним и подложкой существует p–n-переход, который, расширяясь при обратном смещении, сдвигает вверх нижнюю границу канала и уменьшает его поперечное сечение. В этом случае принцип управления током стока, такой же, как и в транзисторе с управляющим переходом. I c Рис. 17 . Сдвиг передаточной характеристики МДП-транзистора с индуцированным n- каналом при изменении напряжения подложка- исток: U си = const , пи1 пи2 пи3 U U U , пор1 пор2 пор3 U U U Видно также, что с U зи 1 2 3 0 увеличением значения отрицательного напряжения U пи увеличивается и пороговое напряжение МДП-транзистора. Это также является следствием возрастания плотности отрицательного объемного заряда ионов акцепторов при обратном смещении перехода подложка-канал. В этом случае для создания режима инверсии, т.е. индуцированного канала, требуется приложить большее напряжение на затвор. (см. рис. 5.2). МДП-ТРАНЗИСТОР СО ВСТРОЕННЫМ КАНАЛОМ Встроенный канал транзистора может быть сформирован двумя способами. Во-первых, за счет дополнительной технологической операции при изготовлении, в результате которой образуется перемычка между истоком и стоком с тем же типом проводимости. Во-вторых, канал может быть образован (индуцирован) поверхностным зарядом соответствующей полярности на изолирующем диэлектрике. В таком варианте транзистора индуцированный проводящий канал существует при отсутствии напряжения на затворе, т.е. также является встроенным. Отличительной особенностью передаточной характеристики транзисторов со встроенным каналом является наличие тока стока при нулевом напряжении U зи (рис. 18 ). Рис. 18. Передаточные характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n -типа. U си1 .< U си2 < U си3 . Пунктирная линия – передаточная характеристика при наличии в цепи стока нагрузочного резистора. U зи I c 0 3 2 1 отс U В случае канала n-типа при увеличении положительного напряжения U зи ток стока растет, так как происходит обогащение канала электронами – основными носителями. При изменении полярности напряжения затвор-исток электроны вытесняются из канала (т.е. происходит обеднение канала основными носителями), и при напряжении U зи = U отс ток стока прекращается. I c U зи >0 U зи = 0 U зи <0 0 U си Рис. 19 Выходные статические характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n -типа Форма выходных характеристик МДП-транзистора со встроенным каналом (рис. 19 ) и индуцированным каналом (рис. ) одинакова, так как в обоих случаях она определяется изменением конфигурации проводящего канала с ростом напряжения сток-исток. Напряжение, определяющее концентрацию основных носителей – электронов в n-канале: У истока: U зи , его величина может быть положительной (режим обогащения) или отрицательной (режим обеднения); у стока: U зи – U си При увеличении напряжения сток-исток эта разность у стокового конца достигает величины отс U : U зи – U си = отс U Соответствующее напряжение сток-исток – это напряжение насыщения: U си нас = отс U + U зи В результате у стокового конца канала возникает «точка высокого сопротивления», где основные носители отсутствуют. При этом, как и в ранее рассмотренных случаях, ток стока не уменьшается, а ограничивается. Дальнейшее увеличение U си приводит к увеличению длины «перекрытой» части канала, росту его сопротивления и появлению пологого участка на выходной ВАХ. В случае, когда встроенный канал обусловлен наличием заряда на диэлектрике, процессы, происходящие в канале при увеличении напряжения сток-исток те же, что и для МДП-транзистора с индуцированным каналом (см. рис. 14 ). МДП-транзисторы – важнейшие активные элементы современных микропроцессоров и интегральных схем различного назначения. Основное преимущество логических элементов на их основе – малая потребляемая мощность. На рис. 20 в качестве примера приведена схема инвертора на последовательно соединенных МДП-транзисторах с разной проводимостью индуцированного канала (комплементарных транзисторах). |