Содержание
ВВЕДЕНИЕ. 2
1 СВЕДЕНИЯ И ПОНЯТИЯ ОМДП-ТРАНЗИСТОРАХ… 4
1.1 СвойстваМДП-структуры (металл–диэлектрик– –полупроводник). 4
1.2 Типы иустройство полевых транзисторов. 7
1.3 Принципработы МДП-транзистора. 9
1.4 Выбор знаковнапряжений в МДП-транзисторе. 11
1.5 ХарактеристикиМДП-транзистора в области плавного канала. 14
1.6 ХарактеристикиМДП-транзистора в области отсечки. 19
1.7 Влияние типаканала на вольт-амперные характеристики МДП-транзисторов 24
1.8 Эквивалентная схема и быстродействие МДП-транзистора. 26
2 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ИХАРАКТЕРИСТИК МДП-ТРАНЗИСТОРА НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ… 29
2.1 Основныесведения об арсениде галлия. 29
2.2 Основные параметры МДП-транзистора. 31
2.3 Расчетпараметров МДП-транзистора. 31
ВЫВОДЫ… 36
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………36
/>/>/>/>ВВЕДЕНИЕ
Среди многочисленных разновидностей полевых транзисторов, возможно,выделить два основных класса: полевые транзисторы с затвором в виде pn переходаи полевые транзисторы с затвором, изолированным от рабочего полупроводниковогообъема диэлектриком. Приборы этого класса часто так же называют МДП-транзисторами(от словосочетания металл-диэлектрик-полупроводник) и МОП транзисторами (отсловосочетания металл-окисел — полупроводник), поскольку в качестве диэлектрикачаще всего используется окись кремния.
Основной особенностью полевых транзисторов, по сравнению сбиполярными, является их высокое входное сопротивление, которое может достигать109 — 1010 Ом. Таким образом, эти приборы можнорассматривать как управляемые потенциалом, что позволяет на их основе создатьсхемы с чрезвычайно низким потреблением энергии в статическом режиме. Последнееособенно существенно для электронных статических микросхем памяти с большимколичеством запоминающих ячеек.
Так же как и биполярные полевые транзисторы могут работать включевом режиме, однако падение напряжения на них во включенном состояниивесьма значительно, поэтому эффективность их работы в мощных схемах меньше, чему биполярных приборов.
Полевые транзисторы могут иметь как p, так и n управлениекоторыми осуществляется при разной полярности на затворах. Это свойствокомплементарности расширяет возможности при конструировании схем и широкоиспользуется при создании запоминающих ячеек и цифровых схем на основе МДПтранзисторов (CMOS схемы).
Полевые транзисторы относятся к приборам униполярного типа,это означает, что принцип их действия основан на дрейфе основных носителейзаряда. Последнее обстоятельство значительно упрощает их анализ по сравнению сбиполярными приборами, поскольку, в первом приближении, возможно, пренебречьдиффузионными токами, неосновными носителями заряда и их рекомбинацией [9].
/>1 СВЕДЕНИЯИ ПОНЯТИЯ О МДП-ТРАНЗИСТОРАХ
/>1.1 Свойства МДП-структуры (металл–диэлектрик–полупроводник)
В основе работы полевых транзисторов с изолированнымзатвором лежат свойства МДП-структуры (рис. 1.1).
/>
Рисунок 1.1 — Пример МДП-структуры.
По существу эта структура представляет плоский конденсатородной из обкладок которого служит металл (затвор), второй полупроводник.Особенность такого МДП конденсатора по отношению к классическому МДМконденсатору в том, что в объеме полупроводника заряд может быть связан сносителями разной физической природы и разной полярности: свободными электронамии дырками, заряженными положительно ионизованными донорами, заряженнымиотрицательно ионизованными акцепторами, а так же заряженными дефектами. В МДП-структурев отличие от p-n перехода существует гетерограница разделяющая две среды сразличной структурой это, например, граница, разделяющая полупроводник и егоокисле или другой диэлектрик или полупроводник и воздух (вакуум). На свободнойгранице полупроводника имеется большое количество оборванных связей стремящихсязахватить заряд из объема полупроводника, а так же связей вступивших в реакциюс сооседней средой и пассивированных этой средой, кроме того, на поверхностимогут находиться посторонние примесные атомы и ионы. Таким образом, насвободной поверхности и гетеропереходе металл-диэлектрик уже в начальномсостоянии может находиться некоторый заряд, который индуцирует равный ему повеличине и противоположный по знаку заряд в объеме полупроводника [13].
Если зарядить одну из обкладок МДП конденсатора — затвор, тона второй — полупроводниковой обкладке должен появиться заряд равный повеличине и противоположный по знаку, который будет связан с поверхностнымисостояниями, ионизованными атомами примеси и свободными носителями заряда.
/>
Рисунок 1.2 — Изменение поверхностной проводимостиполупроводнка в МДП структуре:
1 — полупроводник n типа,
2 — собственный полупроводник,
3 — полупроводник p типа.
Если индуцированный внешним полем заряд на полупроводниковойобкладке превышает изменение заряда на поверхностных состояниях, то вприповерхностной области полупроводника происходит изменение концентрациисвободных носителей заряда, что сопровождается изменением поверхностнойпроводимости (см. рис. 1.2) и соответственно протекающего вдоль поверхноститока, в случае если имеется направленное вдоль поверхности поле, как этопоказано на вставке рис. 1.2 [5].
В той приповерхностной полупроводниковой области, гдесуществует электрическое поле, имеется обедненная носителями областьпространственного заряда, аналогичная по свойствам области ОПЗ pn перехода,работающая как диэлектрик. При изменении потенциала на металлической (затворе)обкладке МДП конденсатора будет изменяться заряд ОПЗ и соответственно ширинаобедненной области. При этом будет изменяться емкость МДП-структуры.Зависимости емкости МДП-структур от напряжения показаны на рис. 1.3.
/>
Рисунок 1.3 — Изменение емкости МДП-структур от напряженияна затворе:
1 — полупроводник n типа,
2 — собственный полупроводник,
3 — полупроводник p типа.
Емкость МДП-структуры можно рассматривать как состоящую издвух последовательно включенных емкостей: емкости диэлектрика — Сд иемкости слоя пространственного заряда в полупроводнике Спп.
/> (1.1)
Если Сд >> Спп, то можно схорошим приближение считать, что емкость структуры определяется емкость ОПЗ,т.е. С = Спп.
Если Спп >> Сд, то приближенно можносчитать, что С = Сд, поэтому максимальное значение емкости на рис. 1.3ограничено линией С = Сд.
Следует обратить внимание на то, что на всех кривых рис. 1.2и рис. 1.3 имеются точки минимума. Это точки соответствуют случаю минимальнойповерхностной проводимости, которая имеет место, когда на поверхностиконцентрации электронов и дырок близки к собственной и равны друг другу, тогдаувеличение потенциала затвора относительно значения соответствующего точкеминимума должно обогащать поверхность дырками, а уменьшение потенциалаотносительно потенциала точки минимума должно обогащать поверхность дырками.При этом соответственно с разных сторон от точки минимума должен наблюдатьсяразный тип проводимости в приповерхностной области [4]./> 1.2 Типы и устройство полевыхтранзисторов
Полевые, или униполярные, транзисторы в качестве основногофизического принципа используют эффект поля. В отличие от биполярныхтранзисторов, у которых оба типа носителей, как основные, так и неосновные,являются ответственными за транзисторный эффект, в полевых транзисторах дляреализации транзисторного эффекта применятся только один тип носителей. По этойпричине полевые транзисторы называют униполярными. В зависимости от условий реализацииэффекта поля полевые транзисторы делятся на два класса: полевые транзисторы сизолированным затвором и полевые транзисторы с затвором в виде p-n-перехода[8].
К полевым транзисторам с изолированным затвором относятсяМДП-транзисторы, МНОП-элементы памяти, МДП-транзисторы с плавающим затвором,приборы с зарядовой связью (ПЗС-структуры), МДП-фотоприемники. К полевымтранзисторам с затвором в виде p-n-перехода относятся транзисторы с затвором ввиде барьера Шоттки, с затвором в виде обычного p-n-перехода и с затвором ввиде гетероперехода. Отметим, что в качестве дискретных элементов разработаны иимеют применение МДП-транзисторы и транзисторы с затвором в виде обычного p-n-перехода.Остальные типы полевых транзисторов используются только в интегральномисполнении как фрагменты интегральных схем.
Рассмотрим на примере МДП-транзистора основные элементыструктуры полевых транзисторов. На рис. 1.4 приведена топология МДП-транзистора[5].
/>
Рисунок 1.4 — Топология и основные элементы МДП-транзистора.
Термин «МДП-транзистор» используется для обозначения полевыхтранзисторов, в которых управляющий электрод — затвор отделен от активнойобласти полевого транзистора диэлектрической прослойкой – изолятором. Основнымэлементом для этих транзисторов является структура металл–диэлектрик–полупроводник.По этой причине в названии транзистора используется аббревиатура МДП.Монокристаллический полупроводник n- или p-типа, на котором изготавливается МДП-транзистор,получил название подложки. Две сильнолегированные области противоположного сподложкой типа проводимости получили названия истоки сток. Областьполупроводниковой подложки, находящаяся под затвором между истоком и стоком,называется каналом. Диэлектрический слой, расположенный между затвором иканалом, получил название подзатворного диэлектрика. В качествеполупроводниковой подложки в большинстве МДП-транзисторов используется GaAs и подзатворный диэлектрик. Поэтой причине как синоним для МДП-транзисторов применяется термин «МОП-транзистор».Канал в МДП-транзисторах может быть как индуцированным, так и встроенным [7]./> 1.3 Принцип работы МДП-транзистора
Физической основой работы полевого транзистора со структуройметалл–диэлектрик–полупроводник является эффект поля. Эффект поля состоит втом, что под действием внешнего электрического поля изменяется концентрациясвободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника. В полевыхприборах со структурой МДП внешнее поле обусловлено приложенным напряжением наметаллический электрод — затвор. В зависимости от знака и величины приложенногонапряжения могут быть четыре состояния области пространственного заряда (ОПЗ)полупроводника – обогащение, обеднение, слабая и сильная инверсия. Полевыетранзисторы в активном режиме могут работать только в области слабой илисильной инверсии, т. е. в том случае, когда инверсионный канал между истоком истоком отделен от квазинейтрального объема подложки областью обеднения [11].
Полевой транзистор относится к типу приборов, управляемыхнапряжением. Обычно электрод истока является общим, и относительно егоопределяются величина и знак прикладываемого напряжения и протекающего тока.Напряжение на затворе МДП-транзистора обозначается значком VG, настоке транзистора — VDS, на подложке — VSS. Ток,протекающий между истоком и стоком, обозначается IDS, ток в цепи«затвор – канал» – IG. Для полевых транзисторов с изолированнымзатвором ток затвора пренебрежимо мал, составляет величины пикоампер. По этойпричине мощность, расходуемая на реализацию транзисторного эффекта в первичнойцепи, практически нулевая [5].
/>
/>
Рисунок 1.5 — МДП-транзистор с индуцированным каналом вравновесных условиях:
а) напряжение на затворе отсутствует VG = 0;
б) напряжение на затворе больше порогового напряжения VG> VT
На рис. 1.5 показана схема МДП-транзистора с индуцированнымp-каналом в равновесных условиях (VDS = 0) при нулевом напряжении назатворе и при напряжении на затворе выше порогового напряжения.
В области инверсии концентрация неосновных носителей зарядав инверсионном канале выше, чем концентрация основных носителей в объемеполупроводника. Напряжение на затворе VG, при котором происходитформирование инверсионного канала, называется пороговым напряжением иобозначается VT. Изменяя величину напряжения на затворе VGв области выше порогового напряжения, можно менять концентрацию свободныхносителей в инверсионном канале и тем самым модулировать сопротивление канала Ri.Источник напряжения в стоковой цепи VDS вызовет изменяющийся всоответствии с изменением сопротивления канала Ri ток стока IDS,и тем самым будет реализован транзисторный эффект. Напомним, что транзисторныйэффект заключается в изменении тока или напряжения во вторичной цепи, вызванномизменениями тока или напряжения в первичной цепи. Отметим, что ток в цепи«исток — канал — сток» IDS обусловлен только одним типом носителей,то есть действительно МДП-транзистор является униполярным прибором. Посколькуобласти истока и стока сильно легированы, то они не оказывают влияния на токканала, а только обеспечивают контакт к области канала [8].
Таким образом, МДП-транзистор является сопротивлением,регулируемым внешним напряжением. К нему даже в большей степени, чем кбиполярным приборам, подходит историческое название «транзистор», так как слово«transistor» образовано от двух английских слов — «transfer» и «resistor», чтопереводится как «преобразующий сопротивление» [16]./> 1.4 Выбор знаков напряжений в МДП-транзисторе
Электрод истока является общим и относительно егоопределяются величина и знак прикладываемого напряжения и протекающего тока.Рассмотрим на примере n-канального МДП-транзистора с индуцированным каналом,каким образом выбираются величина и знак напряжения на затворе, стоке иподложке, обеспечивающих работу МДП-транзистора в активном режиме.
Для МДП-транзистора с индуцированным n-каналом при нулевомнапряжении на затворе VG = 0 канал между истоком и стокомотсутствует. Для формирования канала необходимо подать напряжение на затвор VGтакого знака, чтобы на поверхности полупроводника сформировался инверсионныйслой. Для n-канального транзистора (полупроводниковая подложкаp-типа) знакнапряжения VG в этом случае должен быть положительным. Напряжение назатворе VG, при котором происходит формирование инверсионногоканала, называется пороговым напряжением и обозначается VT.Следовательно, величина напряжения на затворе VG в активной областидолжна быть больше, чем значение порогового напряжения: 0
Напряжение, поданное на сток VDS, вызываетдвижение электронов в инверсионном слое между истоком и стоком. С точки зрениятранзисторного эффекта безразлично, в каком направлении в канале будутдвигаться носители. Но в то же время напряжение VDS, приложенное к стоку,- это напряжение, приложенное к стоковому n+-p-переходу. При положительномзнаке VDS > 0 это соответствует обратному смещению стокового n+-p-перехода,а при отрицательном знаке VDS
В случае обратного смещения p-n-перехода «сток — подложка»паразитный ток будет составлять наноамперы и будет пренебрежимо мал. Такимобразом, знак напряжения на стоке VDS нужно выбирать так, чтобыстоковый переход был смещен в обратном направлении. Для n-канальныхтранзисторов это условие соответствует VDS > 0, а для p-канальныхтранзисторов VDS
/>
Рисунок 1.6 — Схема p-канального МДП-транзистора в областиплавного канала.
Напряжение, подаваемое на подложку VSS, управляеттоком в канале через изменение заряда в области обеднения QB, или,что то же самое, через изменение порогового напряжения VT. Дляэффективного увеличения ширины области обеднения, следовательно, заряда вобласти обеднения необходимо подавать обратное смещение на индуцированныйэлектронно-дырочный переход «канал — подложка». Для n-канальных транзисторовэто условие соответствует отрицательному знаку напряжения на подложке VSS 0. На рис. 1.7 приведена схема p-канального МДП-транзистора в областиплавного канала при наличии управляющего напряжения на подложке [5].
/>
Рисунок 1.7 — Схема p-канального МДП-транзистора в областиплавного канала при наличии напряжения на подложке./>1.5 ХарактеристикиМДП-транзистора в области плавного канала
Рассмотрим полевой транзистор со структурой МДП,конфигурация и зонная диаграмма которого приведены на рис. 1.8. Координата zнаправлена вглубь полупроводника, y — вдоль по длине канала и х — по ширинеканала.
Получим вольт-амперную характеристику такого транзистора приследующих предположениях:
1. Токи через р-n-переходы истока, стока и подзатворный диэлектрик равнынулю.
2. Подвижность электронов μn постоянна по глубине и длине Lинверсионного канала и не зависит от напряжения на затворе VGS и настоке VDS.
3. Канал плавный, то есть в области канала нормальная составляющаяэлектрического поля Ez существенно больше тангенциальной Еу[15].
/>
Рисунок 1.8 — Схема МДП-транзистора для расчета токов вобласти плавного канала и зонная диаграмма в равновесных условиях
Ток в канале МДП-транзистора, изготовленного на подложке р-типа,обусловлен свободными электронами, концентрация которых n(z). Электрическоеполе Еу обусловлено напряжением между истоком и стоком VDS.Согласно закону Ома, плотность тока [5].:
/> (1.2)
где q — заряд электрона, μn — подвижностьэлектронов в канале, V- падение напряжения от истока до точки канала скоординатами (x, y, z).
Проинтегрируем (1.2) по ширине x и глубине z канала. Тогдаинтеграл в левой части (1.2) дает нам полный ток канала IDS, а дляправой части получим:
/> (1.3)
Величина/> естьполный заряд электронов в канале на единицу площади:
/>
Тогда:
/> (1.4)
Найдем величину заряда электронов Qn. Для этогозапишем уравнение электронейтральности для зарядов в МДП-транзисторе на единицуплощади в виде [3]:
Qm= Qox + Qn+ QB. (1.5)
Согласно (1.5), заряд на металлическом электроде Qmуравновешивается суммой зарядов свободных электронов Qn иионизованных акцепторов QB в полупроводнике и встроенного заряда вокисле Qox. [10].
/>
Рисунок 1.9 — Расположение зарядов в МДП-транзисторе.
На рис. 1.9 приведена схема расположения этих зарядов. Изопределения геометрической емкости окисла Сox следует, что полныйзаряд на металлической обкладке МДП-конденсатора Qm равен:
Qm=Cox·Vox, (1.6)
где Vox — падение напряжения на окисном слое, Сox — удельная емкость подзатворного диэлектрика.
Поскольку падение напряжения в окисле равно Vox,в полупроводнике равно поверхностному потенциалу ψs, а полное приложенноек затвору напряжение VGS, то:
VGS-Δφms= Vox + ψs= Vox+ ψs0+ V(y), (1.7)
где Δφms — разность работ выхода металл- полупроводник, ψs0 — величина поверхностного потенциала вравновесных условиях, т. е. при напряжении стока VDS = 0.
Из (1.5) — (1.7) следует:
Qn=Qm — Qox-QB= Cox[VGS-Δφms-ψs0+ V(y)] — Qox — QB (1.8)
Поскольку в области сильной инверсии при значительномизменении напряжения на затворе VGS величина поверхностногопотенциала меняется слабо, будем в дальнейшем считать ее постоянной и равнойпотенциалу начала области сильной инверсии ψs0 = 2φ0.Поэтому будем также считать, что заряд акцепторов QB не зависит отповерхностного потенциала. Введем пороговое напряжение VТ какнапряжение на затворе VGS, соответствующее открытию канала вравновесных условиях: Vt≡Vgs(ψs = 2φ0, VDS= 0).
При этом Qn(VDS = 0) = 0.
Из (1.8) следует, что [5]:
/> (1.9)
Тогда с учетом (6.8):
Qn=C[VGS-VT -V(y)]. (1.10)
Подставляя (1.10) в (1.4), разделяя переменные и проведяинтегрирование вдоль канала при изменении y от 0 до L, а V(y) от 0 до VDS,получаем:
/> (1.11)
Уравнение (1.11) описывает вольт-амперную характеристикуполевого транзистора в области плавного канала./>
1.6 Характеристики МДП-транзисторав области отсечки
Как следует из уравнения (1.10), по мере роста напряженияисток-сток VDS в канале может наступить такой момент, когдапроизойдет смыкание канала, т. е. заряд электронов в канале в некоторой точкестанет равным нулю. Это соответствует условию:
V(y) = Vos-VT≡V*DS (1.12)
Поскольку максимальная величина напряжения V(y) реализуетсяна стоке, то смыкание канала, или отсечка, первоначально произойдет у стока.Напряжение стока VDS, необходимое для смыкания канала, называетсянапряжением отсечки V*DS. Величина напряжения отсечкиопределяется соотношением (1.12). На рис. 1.10 показан канал, отсеченный устока [5].
/>
Рисунок 1.10 — Схема p-канального МДП-транзистора принапряжении на стоке, равном напряжению отсечки
С ростом напряжения стока VDS точка канала,соответствующая условию отсечки (1.12), сдвигается от стока к истоку. В первомприближении при этом на участке плавного канала от истока до точки отсечкипадает одинаковое напряжение V*DS= VGS — VT,не зависящее от напряжения исток-сток. Эффективная длина плавного канала L отистока до точки отсечки слабо отличается от истинной длины канала L и обычноΔL = L-L«L. Это обуславливает в области отсечки в первом приближении токстока IDS, не зависящий от напряжения стока VDS. На рис. 1.11показана схема p-канального МДП-транзистора при напряжении на стоке, большемнапряжения отсечки. Из этого же рисунка видно, как точка отсечки смещается отстока по мере роста напряжения на стоке.
/>
Рисунок 1.11 — Схема p-канального МДП-транзистора принапряжении на стоке, большем напряжения отсечки
Подставив значение напряжения отсечки V*DSиз (1.12) в (1.11) вместо значения напряжения стока VDS, получаемдля области отсечки выражение для тока стока:
/> (1.13)
Соотношение (1.13) представляет собой запись вольт-ампернойхарактеристики МДП-транзистора в области отсечки. Зависимости тока стока IDSот напряжения на затворе VGS называются обычно переходнымихарактеристиками, а зависимости тока стока IDS от напряжения настоке VDS — проходными характеристиками транзистора. На рис. 1.12приведены зависимости тока стока IDS от напряжения на стоке VDSдля МДП-транзистора при различных напряжениях на затворе, рассчитанные посоотношениям (1.11) и (1.13) [6].
/>
Рисунок 1.12 — Зависимость тока стока IDS отнапряжения на стоке VDS для МДП ПТ при различных напряжениях назатворе. Пороговое напряжение VT = 0,1 В. Сплошная линия — расчет по(1.11) и (1.13). Пунктир — расчет по (1.17) с учетом модуляции длины канала
При значительных величинах напряжения исток-сток иотносительно коротких каналах (L = 10÷20 мкм) в области отсечкинаблюдается эффект модуляции длины канала. При этом точка отсечки смещается кистоку и напряжение отсечки V*DS падает на меньшую длинуL′ канала. Это вызовет увеличение тока IDS канала. Величинанапряжения Δ V, падающая на участке ΔL от стока отсечки, будет равна:
∆V(∆L) = VDS-V*DS =VDS-(VGS-VT). (1.14)
На рис. 1.12 этот эффект модуляции длины канала наглядновиден.
Поскольку напряжение ΔV падает на обратносмещенном p-n+-переходе,его ширина ΔL будет равна:
/> (1.15)
Ток канала равен IDS0, когда напряжение исток-стокVDV=V*DS = VGS -VT равнонапряжению отсечки и величина ΔL = 0. Обозначим IDS ток стока при большемнапряжении стока: VDS > V*DS .
Тогда:
I0DS .L = IDS-(L-∆L). (1.16)
Таким образом, ВAX МДП-транзистора с учетом модуляции длиныканала примет следующий вид:
/> (1.17)
Эффект модуляции длины канала оказывает большое влияние напроходные характеристики МДП-транзистора с предельно малыми геометрическимиразмерами, поскольку в этом случае величина ΔL сравнима с длиной канала L.На рис. 1.12 пунктиром показаны зависимости тока стока от напряжения на стоке вобласти отсечки с учетом модуляции длины канала [10].
. />
Рисунок 1.13 – Зависимости:
1 — тока стока IDS от напряжения на затворе VG вобласти отсеченного канала;
2 — корня из тока стока /> от напряжения на затворе вобласти отсечки
Отметим, что эффект модуляции длины канала для полевыхтранзисторов по физической природе аналогичен эффекту модуляции ширины базы(эффект Эрли) для биполярных транзисторов. На вольт-амперных характеристикахтранзисторов этот эффект также проявляется аналогично — в зависимости выходноготока от выходного напряжения.
Как видно из уравнения (1.13), в области отсечки ток стока IDSквадратично зависит от приложенного к затвору транзистора напряжения VG.На рис. 1.13 показана эта зависимость (кривая 1) и эта же зависимость,построенная в координатах />отнапряжения VG (кривая 2). На практике экстраполяция прямолинейногоучастка этой зависимости определяет значение порогового напряжения [8]./>
1.7 Влияние типа канала на вольт-амперныехарактеристики МДП-транзисторов
Вид вольт-амперной характеристики МДП-транзистора взначительной мере зависит от типа полупроводниковой подложки и типаинверсионного канала. В том случае, если при нулевом напряжении на затворе VG= 0 инверсионный канал отсутствует, а по мере увеличения напряжения на затвореVG > VT появляется, такой инверсионный канал называютиндуцированным. Если же при нулевом напряжении на затворе VG = 0инверсионный канал уже сформирован, такой инверсионный канал называютвстроенным. МДП-транзисторы с индуцированным каналом при нулевом напряжении назатворе всегда закрыты, а МДП-транзисторы со встроенным каналом при нулевомнапряжении на затворе всегда открыты.
Зависимость тока стока IDS от напряжения на стокеVDS при различных на-пряжених на затворе VG называютпроходными характеристиками МДП-транзистора, а зависимость тока стока IDSот напряжения на затворе VG при различных напряжениях на стоке VDSназывают переходными характеристиками МДП-транзистора. В том случае еслинапряжение на стоке VDS больше, чем напряжение отсечки V*DS, на переходных характеристиках ток стока IDS от напряжения на стокеVDS не зависит.
На рис. 1.14 приведены вольт-амперные характеристики(проходные и переходные) n-канальных и p-канальных МДП-транзисторов синдуцированным и встроенным каналами. Здесь же указаны схемотехническиеобозначения разных видов МДП-транзисторов. Из анализа этих вольт-амперныххарактеристик можно еще раз получить представление о знаках напряжений,подаваемых на затвор и сток МДП-транзисторов в активном режиме [9].
/>
Рисунок 1.14 — Вольт-амперные характеристики n-канальных и p-канальныхМДП-транзисторов с индуцированным и встроенным каналами.
/>1.8 Эквивалентная схема и быстродействие МДП-транзистора
Исходя из общефизических соображений, МДП-транзистор можноизобразить в виде эквивалентной схемы, представленной на рис. 1.15. Здесь Rвхобусловлено сопротивлением подзатворного диэлектрика, входная емкость СBX — емкостью подзатворного диэлектрика и емкостью перекрытия затвор — исток.Паразитная емкость Спар обусловлена емкостью перекрытий затвор — сток. Выходное сопротивление Rвых равно сопротивлению каналатранзистора и сопротивлению легированных областей истока и стока. Выходнаяемкость Свых определяется емкостью р-n-перехода стока. Генератортока i1 передает эффект усиления в МДП-транзисторе [3].
/>
Рисунок 1.15 — Простейшая эквивалентная схема МДП-транзистора
Определим быстродействие МДП-транзистора исходя из следующихсоображений. Пусть на затвор МДП-транзистора, работающего в области отсечки,так что Vgs = Vds = Vпит, поданомалое переменное напряжение ũ = u0sin(ωt).
Тогда за счет усиления в стоковой цепи потечет ток i1,равный:
/> =S·ũ (1.18)
Одновременно в канал с электрода затвора потечет паразитныйток смещения через геометрическую емкость затвора, равный:
/>=й2πfCOXWL (1.19)
С ростом частоты выходного сигнала f паразитный токбудет возрастать и может сравниваться с током канала за счет эффекта усиления.Определим граничную частоту работы МДП-транзистора f =fмакс,когда эти токи будут равны. Получаем с учетом (6.22):
/> (1.20)
Поскольку напряжение исток-сток VDS порядканапряжения VGS — VT, то, используя определение дрейфовойскорости
/> (1.21)
можно видеть, что предельная частота усиления fмаксопределяется временем пролета τ электронов через канал транзистора:
/> (1.22)
Оценим быстродействие транзистора.
Пусть величина подвижности μn = 500 см2/(В·с), длинаканала L = 10 мкм = 10-3 см, напряжение питания Vпит= 10 В. Подставляя эти значения в (1.20), получаем, что максимальная частотадля МДП-транзистора составляет величину порядка fмакс ≈1 ГГц. Заметим, что собственное быстродействие транзистора обратнопропорционально квадрату длины инверсионного канала. Поэтому для повышениябыстродействия необходимо переходить на субмикронные длины канала.
/>2 РАСЧЕТПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК МДП-ТРАНЗИСТОРА НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ
2.1 Основныесведения об арсениде галлия
Арсени́д га́ллия (GaAs) — химическое соединение галлияи мышьяка. Важный полупроводник, третий по масштабам использования впромышленности после кремния и германия. Используется для созданиявысокочастотных интегральных схем, светодиодов, лазерных диодов, диодов Ганна, туннельныхдиодов и транзисторов.
Некоторые электронные свойства GaAs превосходят свойства кремния.Арсенид галлия обладает более высокой подвижностью, позволяющей работать начастотах 250 ГГц.
Также приборы на основе GaAs генерируют меньше шума, чем кремниевыеустройства на той же операционной частоте. Из-за более высокого напряженияпробоя в GaAs чем в Si эти приборы могут работать при большей мощности. Этисвойства делают GaAs широко применяемым в мобильных телефонах, твердотельныхлазерах, некоторых радарных системах. Полупроводниковые приборы на основеарсенида галлия имеют более высокую радиационную стойкость, чем кремниевые, чтообуславливает его использование при наличии радиационного излучения (например,в солнечных батареях в космической технике).
GaAs — прямозонный полупроводник, что также является егопреимуществом. GaAs может быть использован в оптических приборах:светоизлучающих диодах, твердотельных лазерах.
Сложные слоистые структуры арсенида галлия в комбинации с арсенидомалюминия (AlAs) или тройными растворами AlxGa1-xAs можновырастить с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Из-за практическиполного согласования постоянных решёток слои имеют малые напряжения и могутвыращиваться произвольной толщины.
Основны свойства и параметры полупроводника представлены втаб. 2.1.
Таблица 2.1 — Основны параметры GaAsСвойства Общие Название арсенид галлия Химическая формула GaAs Внешний вид Тёмно-серые кубические кристаллы Структура Атомный вес 144,64 ат. ед. Постоянная решётки 0,56533 нм Кристаллическая структура цинковой обманки Физические Агрегатное состояние при н. у. твёрдое Точка плавления при н. у. 1513 K Электронные Ширина запрещённой зоны при 300 K 1.424 эВ Электроны, эффективная масса 0.067 me Лёгкие дырки, эффективная масса 0.082 me Тяжёлые дырки, эффективная масса 0.45 me Подвижность электронов при 300 K 9200 см²/(В·с) Подвижность дырок при 300 K 400 см²/(В·с)
По физическим характеристикам арсенид галлия более хрупкийматериал, чем кремний. Кроме того подложки из арсенида галлия гораздо сложнеедля изготовления и дороже, что ограничивает применение материала.
Токсические свойства арсенида галлия не были детальноисследованы, но это вещество токсично и канцерогенно [9]./>/>/>/>2.2 Основные параметры МДП-транзистора
Сox — удельная емкость подзатворного диэлектрика
IсID — ток стока
IзIG — ток затвора
IDS — ток канала исток-сток
R0— омическое сопротивление
Ri — внутреннее сопротивление
S — крутизна характеристики
Uзи UGS — напряжение затвор-исток
Uси UDS — напряжение исток-сток
Uзс UDG — напряжение сток-затвор
UЗИ пор Uпор UGS(th) VT— пороговое напряжение
UЗИ отс Uотс UGS(off) —напряжение отсечки
Vox — падение напряжения на окисном слое
VТ — пороговое напряжение
VSS — напряжение, приложенное к подложке
μ — коэффициент усиления/>/>2.3 Расчет параметров МДП-транзистора
Исходные данные для расчетов:
- ширина п/п структуры Zк=1500·10-4 см;
- длина канала Lk=6·10 -4 см;
- толщина оксидного слоя (изолятора затвора) d=0,16·10-4 см ;
- концентрация акцепторов в подложке Na=6·1015см -3 ;
- поверхностная плотность зарядов Nпов=1,2·1011 см -2;
- толщина истока hист=4·10-4 см;
- длина истока lист=7·10-4 см;
- толщина стока hcток=4·10-4 см;
- длина стока lсток=7·10-4 см;
- тепловое сопротивление корпуса Rt= 40 К/Вт .
Рассчитаем напряжение смыкания, В:
/> (2.1)
где q –заряд электрона, а j f =0,38 В – потенциал уровня Ферми.
/>
Найдем удельную емкость «затвор-канала», Ф:
/> (2.2)
где />=4 – диэлектрическая проницаемость диоксида кремния.
/>
Ширина обедненного слоя в канале при Uзи=0 находится по формуле:
/> (2.3)
/>
Плотность заряда нескомпенсированных ионизированных атомовпримеси в подложке, Кл/см2:
/> (2.4)
/>
Плотность заряда на границе диэлектрик-полупроводник, Кл/см2:
/> (2.5)
/>
Крутизна, А/В:
/> (2.6)
где />=0,15 м2∙В-1∙с-1—подвижность электронов в канале.
/>
Пороговое напряжение транзистора, В:
/> (2.7)
/>
Коэффициент К:
/> (2.8)
/>
Паразитные емкости затвора, Ф:
/> (2.9)
где Sз=Zk·Lk — площадь затвора.
/>
Сопротивление стока и истока, Ом:
/> (2.10)
где /> —удельное сопротивление канала.
/>
На рисунке 2.1 построено семейство передаточныххарактеристик транзистора для значений напряжения между стоком и истоком 1, 2,4 В.
/>
Рисунок 2.1 — Стоко-затворная характеристика полевоготранзистора.
Семейство стоковых (выходных) характеристик МДП-транзисторас индуцированным каналом строим путём совмещения двух областей его ВАХ — триоднойи области насыщения.
/>
Рисунок 2.2 — Семействo выходныхвольт-амперных характеристик полевого транзистора
ВЫВОДЫ
В ходе данной курсовой работе:
были рассмотрены свойства МДП-структури, а также типы и устройство полевых транзисторов;
рассмотрены характеристики МДП-транзистора;
определено влияние типа канала на вольт-амперныехарактеристики прибора;
рассмотрены основны свойства и параметрыполупроводника арсенида галлия;
рассчитаны параметры и характеристики МДП-транзистора.
В результате расчетов параметров и характеристикполупроводниковых приборов были получены результаты, не противоречащиесправочным данным.
Так же были получены значения основных параметров: пороговоенапряжение />, напряжение смыкания />, сопротивление стока иистока rи=rс=42,07Ом. В результате построений характеристик МДП-транзистора были полученытипичные вольтамперные характеристики транзистора МДП-типа с индуцированнымканалом n-типа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ніконова З.А., Небеснюк О.Ю. Твердотілаелектроніка. Конспект лекцій для студентів напрямку «Електроніка» ЗДІА/Запоріжжя: Видавництво ЗДІА, 2002. — 99с.
2. Твердотіла електроніка. Навчальний посібник докурсового проекту для студентів ЗДІА спеціальності «Фізична та біомедичнаелектроніка» денної та заочної форм навчання /Укл: З.А. Ніконова, О.Ю.Небеснюк,, М.О. Літвіненко, Г.А. Слюсаревська. Запоріжжя, 2005. — 40с.
3. Батушев В. А. Электронные приборы. – М.,“Высшая школа” 1980..
4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника – М.:Высшая школа, 1991г. — 617с.
5. Гуртов В. А. Твердотельная электроника: Учеб.пособие // В. А. Гуртов; ПетрГУ. – Петрозаводск, 2004. — 312 с.
6. Городецкий Л. Ф. Полупроводниковые приборы //Л. Ф. Городецкий, А. Ф. Кравченко, М.: Высшая школа, 1967, — 348 с.
7. Епифанов Г.И. Физические основымикроэлектроники М.: Сов. радио, 1971 г. — 376 с.
8. Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Горбунов Ю. И.Микроэлектроника. М.: Высшая школа, 1987г. — 326 с.
9. Ефимов И.Е., Козырь И.Я. Основымикроэлектроники. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1983г. — 384с.
10. Жеребцов И.П. Основы электроники. — Энергоатомиздат, Ленинградское отд-ние, 1989г. — 352 с.
11. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: Пер.с англ. М.: Мир, 1984. — 368 с.
12. Полупроводниковые приборы: транзисторы.Справочник. Под ред. Н. Н. Горюнова — М.: Энергоатомиздат, 1985г. — 204 с.
13. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковыеприборы. М.: Высшая школа, 1987г. — 479 c.
14. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. — М.:Сов. радио, 1980г. — 424 с.
15. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А.Полупроводниковые приборы. — М.: Энергоатомиздат, 1990г. — 376 с.
16. Федотов Я. А. Основы физики полупроводниковыхприборов. М., “Советское радио”, 1970г. — 392 с.
17. Электроника: Энциклопедический словарь.//Гл.ред. В. Г. Колесников. М.: Советская энциклопедия, 1991. — 688 с.