Курсовая работа: Расчет и проектирование МДП-транзистора
1.3 Принцип работы МДП-транзистора
Физической основой работы полевого транзистора со структурой
металл–диэлектрик–полупроводник является эффект поля. Эффект поля состоит в
том, что под действием внешнего электрического поля изменяется концентрация
свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника. В полевых
приборах со структурой МДП внешнее поле обусловлено приложенным напряжением на
металлический электрод - затвор. В зависимости от знака и величины приложенного
напряжения могут быть четыре состояния области пространственного заряда (ОПЗ)
полупроводника – обогащение, обеднение, слабая и сильная инверсия. 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 [11].
Полевой транзистор относится к типу приборов, управляемых
напряжением. Обычно электрод истока является общим, и относительно его
определяются величина и знак прикладываемого напряжения и протекающего тока.
Напряжение на затворе МДП-транзистора обозначается значком VG, на
стоке транзистора - VDS, на подложке - VSS. Ток,
протекающий между истоком и стоком, обозначается IDS, 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 [5].
Рисунок 1.5 - МДП-транзистор с индуцированным каналом в
равновесных 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 индуцированным
p-каналом в равновесных условиях (VDS = 0) при нулевом напряжении на
затворе и при напряжении на затворе выше порогового напряжения.
В области инверсии концентрация неосновных носителей заряда
в инверсионном канале выше, чем концентрация основных носителей в объеме
полупроводника. Напряжение на затворе VG, при котором происходит
формирование инверсионного канала, называется пороговым напряжением и
обозначается VT. 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. Напомним, что транзисторный
эффект заключается в изменении тока или напряжения во вторичной цепи, вызванном
изменениями 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. Поскольку
области истока и стока сильно легированы, то они не оказывают влияния на ток
канала, а только обеспечивают контакт к области канала [8].
Таким образом, МДП-транзистор является сопротивлением,
регулируемым внешним напряжением. К нему даже в большей степени, чем к
биполярным приборам, подходит историческое название «транзистор», так как слово
«transistor» образовано от двух английских слов - «transfer» и «resistor», что
переводится как «преобразующий сопротивление» [16].
1.4 Выбор знаков напряжений в МДП-транзисторе
Электрод истока является общим и относительно его
определяются 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 и
подложке, обеспечивающих работу МДП-транзистора в активном режиме.
Для МДП-транзистора с индуцированным n-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
слой. Для n-канального транзистора (полупроводниковая подложкаp-типа) знак
напряжения VG в этом случае должен быть положительным. Напряжение на
затворе VG, при котором происходит формирование инверсионного
канала, называется пороговым напряжением и обозначается VT.
Следовательно, величина напряжения на затворе VG в активной области
должна быть больше, чем значение порогового напряжения: 0 < VT
< VG.
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 n+-p-переходу. При положительном
знаке VDS > 0 это соответствует обратному смещению стокового n+-p-перехода,
а при отрицательном знаке VDS < 0 это соответствует прямому
смещению p-n-перехода «сток - подложка». В случае прямого смещения p-n-перехода
«сток - подложка» в цепи стока будет течь дополнительно к току канала еще и
большой ток прямосмещенногоp-n-пе-рехода, что затруднит регистрацию тока
канала.
В случае обратного смещения p-n-перехода «сток - подложка»
паразитный ток будет составлять наноамперы и будет пренебрежимо мал. Таким
образом, знак напряжения на стоке VDS нужно выбирать так, чтобы
стоковый переход был смещен в обратном направлении. Для n-канальных
транзисторов это условие соответствует VDS > 0, а для p-канальных
транзисторов VDS < 0. На рис. 1.6 показана схема p-канального МДП-транзистора
в области плавного канала [6].
Рисунок 1.6 - Схема p-канального МДП-транзистора в области
плавного канала.
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. На рис. 1.7 приведена схема p-канального МДП-транзистора в области
плавного канала при наличии управляющего напряжения на подложке [5].
Рисунок 1.7 - Схема p-канального МДП-транзистора в области
плавного канала при наличии напряжения на подложке.
Рассмотрим полевой транзистор со структурой МДП,
конфигурация и зонная диаграмма которого приведены на рис. 1.8. 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 Ez существенно больше тангенциальной Еу
[15].
Рисунок 1.8 - Схема МДП-транзистора для расчета токов в
области 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). Электрическое
поле Еу обусловлено напряжением между истоком и стоком VDS.
Согласно закону Ома, плотность тока [5].:
 (1.2)
где q - заряд электрона, μn - подвижность
электронов в канале, V- падение напряжения от истока до точки канала с
координатами (x, y, z).
Проинтегрируем (1.2) по ширине x и глубине z канала. Тогда
интеграл в левой части (1.2) дает нам полный ток канала IDS, а для
правой части получим:
 (1.3)
Величина есть
полный заряд электронов в канале на единицу площади:
Тогда:
 (1.4)
Найдем величину заряда электронов Qn. Для этого
запишем уравнение электронейтральности для зарядов в МДП-транзисторе на единицу
площади в виде [3]:
Qm= Qox + Qn+ QB. (1.5)
Согласно (1.5), заряд на металлическом электроде Qm
уравновешивается суммой зарядов свободных электронов Qn и
ионизованных акцепторов QB в полупроводнике и встроенного заряда в
окисле Qox. [10].
Рисунок 1.9 - Расположение зарядов в МДП-транзисторе.
На рис. 1.9 приведена схема расположения этих зарядов. Из
определения геометрической емкости окисла Сox следует, что полный
заряд на металлической обкладке МДП-конденсатора Qm равен:
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5 |
