Расчет и проектирование МДП-транзистора

Содержание

ВВЕДЕНИЕ. 2

1 СВЕДЕНИЯ И ПОНЯТИЯ О МДП-ТРАНЗИСТОРАХ.. 4

1.1 Свойства МДП-структуры (металл–диэлектрик– –полупроводник). 4

1.2 Типы и устройство полевых транзисторов. 7

1.3 Принцип работы МДП-транзистора. 9

1.4 Выбор знаков напряжений в МДП-транзисторе. 11

1.5 Характеристики МДП-транзистора в области плавного канала. 14

1.6 Характеристики МДП-транзистора в области отсечки. 19

1.7 Влияние типа канала на вольт-амперные характеристики МДП-транзисторов 24

1.8 Эквивалентная схема и быстродействие МДП-транзистора. 26

2 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК МДП-ТРАНЗИСТОРА НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ.. 29

2.1 Основные сведения об арсениде галлия. 29

2.2 Основные параметры МДП-транзистора. 31

2.3 Расчет параметров 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 перехода и полевые транзисторы с затвором, изолированным от рабочего полупроводникового объема диэлектриком. Приборы этого класса часто так же называют МДП-транзисторами (от словосочетания металл-диэлектрик-полупроводник) и МОП транзисторами (от словосочетания металл-окисел - полупроводник), поскольку в качестве диэлектрика чаще всего используется окись кремния.

Основной особенностью полевых транзисторов, по сравнению с биполярными, является их высокое входное сопротивление, которое может достигать 10⁹ - 10¹⁰ Ом. Таким образом, эти приборы можно рассматривать как управляемые потенциалом, что позволяет на их основе создать схемы с чрезвычайно низким потреблением энергии в статическом режиме. Последнее особенно существенно для электронных статических микросхем памяти с большим количеством запоминающих ячеек.

Так же как и биполярные полевые транзисторы могут работать в ключевом режиме, однако падение напряжения на них во включенном состоянии весьма значительно, поэтому эффективность их работы в мощных схемах меньше, чем у биполярных приборов.

Полевые транзисторы могут иметь как p, так и n управление которыми осуществляется при разной полярности на затворах. Это свойство комплементарности расширяет возможности при конструировании схем и широко используется при создании запоминающих ячеек и цифровых схем на основе МДП транзисторов (CMOS схемы).

Полевые транзисторы относятся к приборам униполярного типа, это означает, что принцип их действия основан на дрейфе основных носителей заряда. Последнее обстоятельство значительно упрощает их анализ по сравнению с биполярными приборами, поскольку, в первом приближении, возможно, пренебречь диффузионными токами, неосновными носителями заряда и их рекомбинацией [9].

1 СВЕДЕНИЯ И ПОНЯТИЯ О МДП-ТРАНЗИСТОРАХ

 

1.1 Свойства МДП-структуры (металл–диэлектрик–полупроводник)

В основе работы полевых транзисторов с изолированным затвором лежат свойства МДП-структуры (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 - Пример МДП-структуры.

По существу эта структура представляет плоский конденсатор одной из обкладок которого служит металл (затвор), второй полупроводник. Особенность такого МДП конденсатора по отношению к классическому МДМ конденсатору в том, что в объеме полупроводника заряд может быть связан с носителями разной физической природы и разной полярности: свободными электронами и дырками, заряженными положительно ионизованными донорами, заряженными отрицательно ионизованными акцепторами, а так же заряженными дефектами. В МДП-структуре в отличие от p-n перехода существует гетерограница разделяющая две среды с различной структурой это, например, граница, разделяющая полупроводник и его окисле или другой диэлектрик или полупроводник и воздух (вакуум). На свободной границе полупроводника имеется большое количество оборванных связей стремящихся захватить заряд из объема полупроводника, а так же связей вступивших в реакцию с сооседней средой и пассивированных этой средой, кроме того, на поверхности могут находиться посторонние примесные атомы и ионы. Таким образом, на свободной поверхности и гетеропереходе металл-диэлектрик уже в начальном состоянии может находиться некоторый заряд, который индуцирует равный ему по величине и противоположный по знаку заряд в объеме полупроводника [13].

Если зарядить одну из обкладок МДП конденсатора - затвор, то на второй - полупроводниковой обкладке должен появиться заряд равный по величине и противоположный по знаку, который будет связан с поверхностными состояниями, ионизованными атомами примеси и свободными носителями заряда.

Рисунок 1.2 - Изменение поверхностной проводимости полупроводнка в МДП структуре:

1 - полупроводник n типа,

2 - собственный полупроводник,

3 - полупроводник p типа.

Если индуцированный внешним полем заряд на полупроводниковой обкладке превышает изменение заряда на поверхностных состояниях, то в приповерхностной области полупроводника происходит изменение концентрации свободных носителей заряда, что сопровождается изменением поверхностной проводимости (см. рис. 1.2) и соответственно протекающего вдоль поверхности тока, в случае если имеется направленное вдоль поверхности поле, как это показано на вставке рис. 1.2 [5].

В той приповерхностной полупроводниковой области, где существует электрическое поле, имеется обедненная носителями область пространственного 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 ширина обедненной 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 напряжения на затворе:

1 - полупроводник n типа,

2 - собственный полупроводник,

3 - полупроводник p типа.

Емкость МДП-структуры можно рассматривать как состоящую из двух последовательно включенных емкостей: емкости диэлектрика - С_д и емкости слоя пространственного заряда в полупроводнике С_пп.

(1.1)

Если С_д >> С_пп, то можно с хорошим приближение считать, что емкость структуры определяется емкость ОПЗ, т.е. С = С_пп.

Если С_пп >> С_д, то приближенно можно считать, что С = С_д, поэтому максимальное значение емкости на рис. 1.3 ограничено линией С = С_д.

Следует обратить внимание на то, что на всех кривых рис. 1.2 и рис. 1.3 имеются точки минимума. Это точки соответствуют случаю минимальной поверхностной проводимости, которая имеет место, когда на поверхности концентрации электронов и дырок близки к собственной и равны друг другу, тогда увеличение потенциала затвора относительно значения соответствующего точке минимума должно обогащать поверхность дырками, а уменьшение потенциала относительно потенциала точки минимума должно обогащать поверхность дырками. При этом соответственно с разных сторон от точки минимума должен наблюдаться разный тип проводимости в приповерхностной области [4].

  1.2 Типы и устройство полевых транзисторов

Полевые, или униполярные, транзисторы в качестве основного физического принципа используют эффект поля. В отличие от биполярных транзисторов, у которых оба типа носителей, как основные, так и неосновные, являются ответственными за транзисторный эффект, в полевых транзисторах для реализации транзисторного эффекта применятся только один тип носителей. По этой причине полевые транзисторы называют униполярными. В зависимости от условий реализации эффекта поля полевые транзисторы делятся на два класса: полевые транзисторы с изолированным затвором и полевые транзисторы с затвором в виде p-n-перехода [8].

К полевым транзисторам с изолированным затвором относятся МДП-транзисторы, МНОП-элементы памяти, МДП-транзисторы с плавающим затвором, приборы с зарядовой связью (ПЗС-структуры), МДП-фотоприемники. К полевым транзисторам с затвором в виде p-n-перехода относятся транзисторы с затвором в виде барьера Шоттки, с затвором в виде обычного p-n-перехода и с затвором в виде гетероперехода. Отметим, что в качестве дискретных элементов разработаны и имеют применение МДП-транзисторы и транзисторы с затвором в виде обычного p-n-перехода. Остальные типы полевых транзисторов используются только в интегральном исполнении как фрагменты интегральных схем.

Рассмотрим на примере МДП-транзистора основные элементы структуры 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 полевых транзисторов, в которых управляющий электрод - затвор отделен от активной области полевого транзистора диэлектрической прослойкой – изолятором. Основным элементом 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 с подложкой типа проводимости получили названия истоки сток. Область полупроводниковой подложки, находящаяся под затвором между истоком и стоком, называется каналом. Диэлектрический слой, расположенный между затвором и каналом, получил название подзатворного диэлектрика. В качестве полупроводниковой подложки в большинстве МДП-транзисторов используется GaAs и подзатворный диэлектрик. По этой 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 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 V_G, на стоке транзистора - V_DS, на подложке - V_SS. Ток, протекающий между истоком и стоком, обозначается I_DS, ток в цепи «затвор – канал» – I_G. 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 V_G = 0;

б) напряжение на затворе больше порогового напряжения V_G > V_T

На рис. 1.5 показана схема МДП-транзистора с индуцированным p-каналом в равновесных условиях (V_DS = 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 V_G, при котором происходит формирование инверсионного канала, называется пороговым напряжением и обозначается V_T. Изменяя величину напряжения на затворе V_G в области выше порогового напряжения, можно менять концентрацию свободных носителей в инверсионном канале и тем самым модулировать сопротивление канала R_i. Источник напряжения в стоковой цепи V_DS вызовет изменяющийся в соответствии с изменением сопротивления канала R_i ток стока I_DS, 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» I_DS 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 V_G = 0 канал между истоком и стоком отсутствует. Для формирования канала необходимо подать напряжение на затвор V_G такого знака, чтобы на поверхности полупроводника сформировался инверсионный слой. Для n-канального транзистора (полупроводниковая подложкаp-типа) знак напряжения V_G в этом случае должен быть положительным. Напряжение на затворе V_G, при котором происходит формирование инверсионного канала, называется пороговым напряжением и обозначается V_T. Следовательно, величина напряжения на затворе V_G в активной области должна быть больше, чем значение порогового напряжения: 0 < V_T < V_G.

Напряжение, поданное на сток V_DS, 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 V_DS, приложенное к стоку, - это напряжение, приложенное к стоковому n+-p-переходу. При положительном знаке V_DS > 0 это соответствует обратному смещению стокового n+-p-перехода, а при отрицательном знаке V_DS < 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 V_DS нужно выбирать так, чтобы стоковый переход был смещен в обратном направлении. Для n-канальных транзисторов это условие соответствует V_DS > 0, а для p-канальных транзисторов V_DS < 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 V_SS, управляет током в канале через изменение заряда в области обеднения Q_B, или, что то же самое, через изменение порогового напряжения V_T. 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 V_SS < 0, а для p-канальных транзисторов - положительному знаку напряжения V_SS > 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.

1.5 Характеристики МДП-транзистора в области плавного канала

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: