Курсовая работа: Расчет и проектирование МДП-транзистора
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 приложенное
к 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 в
равновесных 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 значительном
изменении напряжения на затворе VGS величина поверхностного
потенциала меняется слабо, будем в дальнейшем считать ее постоянной и равной
потенциалу начала области сильной инверсии ψs0 = 2φ0.
Поэтому будем также считать, что заряд акцепторов QB не зависит от
поверхностного потенциала. Введем пороговое напряжение VТ как
напряжение на затворе VGS, соответствующее открытию канала в
равновесных 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 проведя
интегрирование 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 характеристику
полевого транзистора в области плавного канала.
1.6 Характеристики МДП-транзистора
в области отсечки
Как следует из уравнения (1.10), по мере роста напряжения
исток-сток VDS в канале может наступить такой момент, когда
произойдет смыкание канала, т. е. заряд электронов в канале в некоторой точке
станет равным нулю. Это соответствует условию:
V(y) = Vos-VT≡V*DS (1.12)
Поскольку максимальная величина напряжения V(y) реализуется
на стоке, то смыкание канала, или отсечка, первоначально произойдет у стока.
Напряжение стока VDS, необходимое для смыкания канала, называется
напряжением отсечки V*DS. Величина напряжения отсечки
определяется соотношением (1.12). На рис. 1.10 показан канал, отсеченный у
стока [5].
Рисунок 1.10 - Схема p-канального МДП-транзистора при
напряжении на стоке, равном напряжению отсечки
С ростом напряжения стока VDS точка канала,
соответствующая условию отсечки (1.12), сдвигается от стока к истоку. В первом
приближении при этом на участке плавного канала от истока до точки отсечки
падает одинаковое напряжение V*DS= VGS- VT,
не зависящее от напряжения исток-сток. Эффективная длина плавного канала L от
истока до точки отсечки слабо отличается от истинной длины канала L и обычно
ΔL = L-L«L. Это обуславливает в области отсечки в первом приближении ток
стока IDS, не зависящий от напряжения стока VDS. На рис. 1.11
показана схема p-канального МДП-транзистора при напряжении на стоке, большем
напряжения отсечки. Из этого же рисунка видно, как точка отсечки смещается от
стока по мере роста напряжения на стоке.
Рисунок 1.11 - Схема p-канального МДП-транзистора при
напряжении на стоке, большем напряжения отсечки
Подставив значение напряжения отсечки V*DS
из (1.12) в (1.11) вместо значения напряжения стока VDS, получаем
для области отсечки выражение для тока стока:
 (1.13)
Соотношение (1.13) представляет собой запись вольт-амперной
характеристики МДП-транзистора в области отсечки. Зависимости тока стока IDS
от напряжения на затворе VGS называются обычно переходными
характеристиками, а зависимости тока стока IDS от напряжения на
стоке VDS - проходными характеристиками транзистора. На рис. 1.12
приведены зависимости тока стока IDS от напряжения на стоке VDS
для МДП-транзистора при различных напряжениях на затворе, рассчитанные по
соотношениям (1.11) и (1.13) [6].
Рисунок 1.12 - Зависимость тока стока IDS от
напряжения на стоке VDS для МДП ПТ при различных напряжениях на
затворе. 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 и
относительно коротких каналах (L = 10÷20 мкм) в области отсечки
наблюдается эффект модуляции длины канала. При этом точка отсечки смещается к
истоку и напряжение отсечки V*DS падает на меньшую длину
L′ канала. Это вызовет увеличение тока IDS канала. Величина
напряжения 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 наглядно
виден.
Поскольку напряжение ΔV падает на обратносмещенном p-n+-переходе,
его ширина ΔL будет равна:
 (1.15)
Ток канала равен IDS0, когда напряжение исток-сток
VDV=V*DS = VGS -VT равно
напряжению отсечки и величина ΔL = 0. Обозначим IDS ток стока при большем
напряжении стока: VDS > V*DS .
Тогда:
I0DS .L = IDS-(L-∆L). (1.16)
Таким образом, ВAX МДП-транзистора с учетом модуляции длины
канала примет следующий вид:
 (1.17)
Эффект модуляции длины канала оказывает большое влияние на
проходные характеристики МДП-транзистора с предельно малыми геометрическими
размерами, поскольку в этом случае величина ΔL сравнима с длиной канала L.
На рис. 1.12 пунктиром показаны зависимости тока стока от напряжения на стоке в
области отсечки с учетом модуляции длины канала [10].
. 
Рисунок 1.13 – Зависимости:
1 - тока стока IDS от напряжения на затворе VG в
области отсеченного канала;
2 - корня из тока стока  от напряжения на затворе в
области отсечки
Отметим, что эффект модуляции длины канала для полевых
транзисторов по физической природе аналогичен эффекту модуляции ширины базы
(эффект Эрли) для биполярных транзисторов. На вольт-амперных характеристиках
транзисторов этот эффект также проявляется аналогично - в зависимости выходного
тока от выходного напряжения.
Как видно из уравнения (1.13), в области отсечки ток стока IDS
квадратично зависит от приложенного к затвору транзистора напряжения VG.
На рис. 1.13 показана эта зависимость (кривая 1) и эта же зависимость,
построенная в координатах  от
напряжения VG (кривая 2). На практике экстраполяция прямолинейного
участка этой зависимости определяет значение порогового напряжения [8].
1.7 Влияние типа канала на вольт-амперные
характеристики МДП-транзисторов
Вид вольт-амперной характеристики МДП-транзистора в
значительной мере зависит от типа полупроводниковой подложки и типа
инверсионного канала. 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. Если же при нулевом напряжении на затворе VG = 0
инверсионный канал уже сформирован, такой инверсионный канал называют
встроенным. МДП-транзисторы с индуцированным каналом при нулевом напряжении на
затворе всегда закрыты, а МДП-транзисторы со встроенным каналом при нулевом
напряжении на затворе всегда открыты.
Зависимость тока стока IDS от напряжения на стоке
VDS при различных на-пряжених на затворе VG называют
проходными характеристиками МДП-транзистора, а зависимость тока стока IDS
от напряжения на затворе VG при различных напряжениях на стоке VDS
называют переходными характеристиками МДП-транзистора. В том случае если
напряжение на стоке VDS больше, чем напряжение отсечки V*DS
, на переходных характеристиках ток стока IDS от напряжения на стоке
VDS не зависит.
На рис. 1.14 приведены вольт-амперные характеристики
(проходные и переходные) n-канальных и p-канальных МДП-транзисторов с
индуцированным и встроенным каналами. Здесь же указаны схемотехнические
обозначения разных видов МДП-транзисторов. Из анализа этих вольт-амперных
характеристик 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-канальных
МДП-транзисторов с индуцированным и встроенным каналами.
1.8
Эквивалентная схема и быстродействие МДП-транзистора
Исходя из общефизических соображений, МДП-транзистор можно
изобразить в виде эквивалентной схемы, представленной на рис. 1.15. Здесь Rвх
обусловлено 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 канала
транзистора и сопротивлению легированных областей истока и стока. Выходная
емкость Свых определяется емкостью р-n-перехода стока. Генератор
тока i1 передает эффект усиления в МДП-транзисторе [3].
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5 |
