ГЛАВА 7. Полевые транзисторы

• Название: Полевые транзисторы
• Дата: 28.02.2018
• Размер: 0.73 Mb.
• Имя файла: ГЛАВА 7.doc
• Тип: Документы; #37396
• страница: 4 из 6

Крутизна стокозатворной характеристики

(7.57)

определяется при постоянных напряжениях U_си и U_пи (напряжение подложка – исток). Для пологих участков выходных характеристик (U_си > U_{си нас}) крутизна с учетом (7.56) не зависит от U_си, но почти линейно зависит от эффективного напряжения затвора (U_зи–U_пор):

(7.58)

Для повышения крутизны необходимо уменьшать толщину подза­творного окисла С_ок(чтобы увеличить емкость окисла С_ок в соответ­ствии с (7.46)), увеличивать ширину канала w, уменьшать длину ка­нала Lи увеличивать подвижность носителей μ_n в канале. Крутизна при прочих равных условиях в n-канальных транзисторах выше, чем в р-канальных, из-за большей подвижности электронов.

Дифференциальное (внутреннее) сопротивление

(7.59)

Наименьшее значение R_i соответствует крутым участкам выход­ных характеристик. На пологих участках (насыщение) сопротивле­ние с учетом (7.56) и (7.52)

(7.60)

Коэффициент усиления по напряжению

(7.61)

учитывает относительное влияние напряжения U_си и U_зи на ток стока I_с.

Напряжение пробоя стокового перехода. В МДП-транзисторах наблюдается лавинный пробой на краевых участках стокового пере­хода у поверхности. Этот пробой ограничивает максимальное зна­чение напряжения стока.

Напряжение пробоя подзатворного диэлектрика ограничива­ет максимальное значение напряжения затвора. Напряжение про­боя диэлектрика зависит от его материала и толщины. Для двуоки­си кремния SiО₂ критическая напряженность электрического поля, приводящая из-за прохождения тока к разрушению диэлектрика, Е_кр ≈ 10⁷ В/см. При толщине слоя 0,05 мкм напряжение пробоя со­ставит 50 В. Следует отметить, что если затвор отключен (разорва­на его цепь), то на затворе, имеющем большое сопротивление, мо­жет накапливаться заряд статического электричества и возникать большое напряжение, приводящее к пробою. Значительный заряд может появиться даже при прикосновении руки. Поэтому МДП-транзисторы требуют выполнения определенных мер предо­сторожности. Транзисторы выпускаются с временными металличе­скими перемычками между затвором и выводами истока и стока. Перемычки снимаются после того, как транзистор впаян в схему. Для защиты от пробоя применяются цепи блокировки затвора, не допускающие повышения напряжения на нем до напряжения про­боя. Используются также заземляющий браслет для руки и зазем­ление паяльника.

Собственное быстродействие МДП-транзистора ограничено двумя причинами. Основное ограничение определяется временем переноса носителей заряда через канал, которое приходилось учи­тывать и в биполярных транзисторах. Кроме того, быстродействие ограничено временем перезаряда емкостей, свойственных самой структуре прибора.

Анализ ограничений на быстродействие МДП-транзистора зави­сит от того, находится он в режиме насыщения или нет. Анализ в ре­жиме насыщения существенно проще, и его результаты применимы для большинства реальных приложений.

Доказывается, что в режиме насыщения распределение про­дольной напряженности поля в канале может быть представлено приближенной формулой [18]:

(7.62)

Время пролета через канал t_np при изменяющейся скорости V_y= –μ_nЕ_у(y) может быть определено как

(7.63)

Знак минус появился из-за противоположных направлений скорости и напряженности поля. Подставив (7.62) в (7.63) и произведя интег­рирование, получим

(7.64)

Для n-канального МДП-транзистора с L = 3 мкм, μ_n= 660 см²/В·с и U_зи–U_nop = 5 В из (7.64) получается время пролета 3,6· 10^-11 с. Это время по крайней мере на порядок меньше, чем самые малые времена переключения, которые можно получить в схемах на МДП-транзисторах. Следовательно, можно сделать важный вывод, что собственное быстродействие МДП-транзисторов определяется не временем пролета носителей через канал, а временем, необхо­димым для перезаряда емкостей самого прибора и элементов, с ко­торыми он соединен в схеме. Поэтому переходные процессы в схе­мах на МДП-транзисторах можно рассчитывать в предположении, что мгновенные значения токов транзистора определяются уравне­ниями статических характеристик этого прибора.

Влияние температуры. Основными физическими причинами изменения тока стока МДП-транзисторов является температур­ная зависимость подвижности носителей заряда μ в канале, поро­гового потенциала φ_пор и величины положительного поверхност­ного заряда.

Подвижность носителей заряда в канале уменьшается с ростом температуры из-за усиления эффекта рассеяния [4], что должно приводить к уменьшению дрейфового тока в канале (тока стока) и снижению крутизны транзистора. Пороговый потенциал, а следова­тельно, и пороговое напряжение U_nop уменьшаются с ростом темпе­ратуры. Поэтому должно происходить увеличение тока стока. Таким образом, оба фактора оказывают на ток стока противоположное воз­действие и могут скомпенсировать друг друга. Другими словами, в МДП-транзисторе существует на характеристике такая рабочая точ­ка, в которой ток стока не зависит от температуры (термостабиль­ная точка). Это является большим преимуществом МДП-транзисто­ров перед биполярными. Следует отметить, что термостабильная точка соответствует малому току стока, однако это не является пре­пятствием при создании многих электронных устройств с повышен­ной температурной стабильностью.

Наличие термостабильной точки характерно и для полевого транзистора с управляющим переходом, но в нем учитываются тем­пературные зависимости подвижности носителей в канале и кон­тактной разности потенциалов в переходе, влияющей на напряже­ние отсечки: в термостабильной точке воздействия обоих факторов на ток стока компенсируются.

7.5.4. Особенности МДП-транзисторов с коротким каналом

Предыдущее рассмотрение относилось к МДП-транзисторам с длинным каналом, для которых выполняется условие L >> (L_и + L_c), где L – длина канала; L_и и L_c – толщина обедненных слоев р-n-переходов у истока и стока. Канал называется коротким, если L и (L_и + L_c) сравнимы. Обычно для коротких каналов L < 2...3мкм. Рас­чет процессов в МДП-транзисторе с короткими каналами очень сложен. Мы приведем лишь основные результаты расчетов и экс­периментов [17].

При коротком канале необходимо учитывать эффект близости обедненных слоев обоих переходов. Поле стокового обедненного слоя понижает потенциальный барьер истокового перехода (поле, создаваемое напряжением стока, понижает барьер у перехода исто­ка) и вызывает так называемый предпороговый ток. Это уменьше­ние барьера называют снижением барьера, индуцированным (вы­званным) стоком. При увеличении напряжения на стоке силовые ли­нии его поля будут проникать в область истока и приводить к даль­нейшему снижению барьера.

На рис. 7.16 показано распределение поверхностного потенциа­ла в области между истоком и стоком при различных длинах канала и постоянном напряжении на затворе. В случае длинного канала (кривая А) максимум распределения поверхностного потенциала Достигается почти по всей длине канала, где этот потенциал имеет постоянное значение. Ток через канал определяется в основном инжекцией (эмиссией) через по­тенциальный барьер вблизи исто­ка. При уменьшении длины канала (кривая В) максимум распределе­ния снижается и сохраняется по­стоянным только на небольшом Участке канала. Так как макси­мальное значение потенциала уменьшается, то ток возрастает. Если напряжение стока увеличива­ется (кривая С), то происходит дальнейшее снижение максимума и уменьшение области постоянного потенциала.

Понижение потенциального барьера означает, что инжекция электронов из истока и образование канала будут происходить при меньшем напряжении на затворе, т.е. в МДП-транзисторах с корот­ким каналом должно быть меньше пороговое напряжение. Значение порогового напряжения уменьшается в таких транзисторах с ростом напряжения на стоке U_си. Эта зависимость тем сильнее, чем мень­ше длина канала.

В МДП-транзисторе с коротким каналом из-за роста напряженно­сти поля в канале приходится также учитывать эффект сильного по­ля. Он заключается в том, что с ростом напряжения U_си и продоль­ной составляющей напряженности поля Е_у подвижность носителей уменьшается и дрейфовая скорость, увеличиваясь, стремится к по­стоянной величине – скорости насыщения V_нас (см. § 18.1). Это дол­жно приводить к замедлению роста тока при увеличении напряже­ния. Эта причина объясняет и уменьшение напряжения насыщения. Наклон реальной выходной характеристики в режиме насыщения определяется действием противоположных факторов: с одной сто­роны, эффектом уменьшения длины канала и снижением порогово­го напряжения с ростом напряжения сток-исток, с другой – сниже­нием подвижности электронов и насыщением дрейфовой скорости. На рис. 7.17,а для сравнения приведены стоковые характеристики транзисторов с длинным и коротким каналами. Крутой рост кривой при большом напряжении в транзисторе с длинным каналом соот­ветствует лавинному пробою стокового р-n-перехода. Менее крутой рост при коротком канале объясняется смыканием обедненных сло­ев обоих р-n-переходов (смыкание происходит при меньших напря­жениях, чем напряжение лавинного пробоя).

На рис. 7.17,б показаны стокозатворные характеристики для МДП-транзистора с длинным и коротким каналами. Первое отличие семейства ВАХ МДП-транзистора с коротким каналом состоит в том, что в нем, как уже отмечалось, пороговое напряжение зависит от напряжения U_си.



Второе отличие состоит в том, что ток стока и крутиз­на оказываются большими из-за уменьшения длины канала. Третье отличие – с ростом напряжения на затворе U_зи характеристики из квадратичных стремятся стать линейными из-за влияния эффекта сильного поля.

Следует отметить еще одну важную особенность МДП-транзисторов с коротким каналом. В сильном электрическом поле, сущест­вующем в канале у стока, электроны на длине свободного пробега могут приобретать энергию, значительно превышающую среднюю энергию теплового движения. Такие электроны называют горячими. Некоторые из них имеют энергию, достаточную для преодоления по­тенциального барьера на границе кремний – диэлектрик (окисел). Эти электроны могут проникать (инжектироваться) в окисел и захва­тываться существующими там ловушками, изменяя заряд в окисле. В результате возрастает и становится нестабильным пороговое на­пряжение. Нестабильность порогового напряжения увеличивается с ростом концентрации ловушек в окисле. Для уменьшения неста­бильности применяется ряд технологических мер.