Тема 6. Полевые МОП-транзисторы

6.1.Устройство и принцип действия

полевого МОП-транзистора

6.1.1.Устройство полевого МОП-транзистора. Варианты структуры и топологии интегральных МОП-транзисторов

Структура и топология n – канального МОП - транзистора с алюминиевым затвором показана на рис.6.1.1. Важнейшие геометрические параметры структуры:

· длина канала L;

· ширина канала W;

· толщина подзатворного диэлектрика Х_ОХ;

· ширина областей перекрытия затвор-исток и затвор-сток .

		Рис. 6.1.1. Структура и топология МОП-транзистора с алюминиевым затвором и индуцированным каналом n-типа: а– структура МОП-транзистора; б– топология МОП-транзистора.

Типовые значения геометрических параметров для МОП – транзисторов среднего качества:

· L ~ 2 – 5 мкм;

· W ~ 5 – 100 мкм (в дискретных приборах до 1 мм);

· 0.03 ~ 0.1 мкм.

· ширина областей перекрытия должна быть как можно меньше.

МОП – транзисторы с каналом n – типа формируют на подложках (в эпитаксиальных слоях или «карманах») р – типа. Для формирования р – канальных транзисторов используют подложки (эпитаксиальные слои или «карманы») n – типа.

Основные электрофизические параметры структуры n – канального МОП – транзистора с индуцированным каналом:

· концентрация примесей в подложке N_A;

· контактная разность потенциалов Ме-п/п Ф_MS;

· диэлектрическая проницаемость подзатворного диэлектрика ;

· эффективная плотность фиксированного заряда поверхностных состояний на границе SiO₂/Si Q_f;

· удельная ёмкость подзатворного окисла С_ОХ;

· доза дополнительного легирования области канала, применяемая для подстройки порогового напряжения N_пов [см^-2].

Типовые значения некоторых основных параметров структуры:

· N_A ~ 10¹⁵ см^-3. МОП – транзистор формируется на слабо легированной подложке, чтобы пороговое напряжение было достаточно малым, а поверхностная подвижность свободных носителей в индуцированном канале была бы максимально возможной;

· Ф_MS ~ -0.8 В;

· Q_f/q ~ ≤ 10¹⁰ см^-2_.

При высокой плотности положительного фиксированного заряда в окисле (Q_f > 0) подзатворная область кремния переходит в режим инверсии, и «сам собой» формируется встроенный канал n – типа. По мере совершенствования технологии получения подзатворного окисла величина Q_f снижалась. Проводимость подзатворной области полупроводника не инвертировалась, и встроенный канал не формировался. Такие структуры позволяют формировать МОП – транзисторы с индуцированным каналом n – типа.

6.1.2. Включение МОЛ – транзисторов по схеме с общим истоком и полярности рабочих напряжений

Включение МОП – транзисторов с индуцированным каналом (МОП – транзисторов обогащённого типа) и их схемные обозначения показаны на рис. 6.1.2.

		Рис. 6.1.2. Включение МОП-транзистора с индуцированным каналом по схеме с общим истоком и полярности рабочих напряжений: а – n-канальный МОП - транзистор;   б – p-канальный МОП – транзистор.

Все напряжения принято отсчитывать от общего заземлённого электрода, т.е. от истока. На затвор МОП – транзистора можно подавать напряжение V_GS (U_ЗИ) любой полярности, т.к. затвор изолирован от подзатворной области слоем диэлектрика. Но для приведения МОП – транзистора обогащённого типа в рабочее состояние напряжение на затворе (его постоянная составляющая) должно обеспечивать режим сильной инверсии в подзатворной области (V_G > V_T). Для n-канального транзистора V_G > 0, для р - канального V_G < 0. Следует отметить, что из-за малой толщины подзатворного окисла предельные напряжения V_GS (U_ЗИ) для МОП – транзисторов ИМС составляют единицы вольт. При бо′льших напряжениях подзатворный диэлектрик пробивается и транзистор выходит из строя. Подзатворный диэлектрик может пробиться даже статическим напряжением, возникающим из-за скопившегося на руках статического заряда. Поэтому монтаж МОП – приборов и МОП – ИМС следует вести с соблюдением нужных мер предосторожности. На сток относительно истока подают такое напряжение, чтобы основные носители канала дрейфовали от истока к стоку. Для n - канальных транзисторов V_DS (U_СИ) > 0, для р – канальных транзисторов V_DS (U_СИ) < 0 (см. рис. 6.1.2). На вывод подложки можно подавать относительно истока только такое напряжение, которое соответствует обратному включению p-n перехода исток подложка. Для n - канальных транзисторов V_ВS (U_ПИ) < 0, для р – канальных транзисторов V_ВS (U_ПИ) > 0. Прямое включение перехода исток – подложка недопустимо. В цепи дополнительного управляющего электрода (подложки) не должен протекать большой ток. Во многих схемах подложку и исток соединяют накоротко. При включении МОП - транзисторов со встроенным каналом (транзисторов обеднённого типа) постоянная составляющая напряжения на затворе может быть как положительной, так и отрицательной. Для n - канальных транзисторов положительное напряжение V_GS (U_ЗИ) увеличивает проводимость встроенного канала, а отрицательное – уменьшает. Для транзисторов с каналами р – типа рабочие напряжения имеют противоположную полярность по сравнению с n – канальными приборами.

6.1.3. Физические процессы в структуре и принцип

действия МОП-транзистора с индуцированным каналом

Рассмотрим n – канальный МОП транзистор обогащённого типа, включённый по схеме с общим истоком. Пусть подложка накоротко соединена с истоком и заземлена, а между стоком и истоком подано небольшое положительное напряжение V_DS (U_СИ) > 0. Поинтересуемся, как будет изменяться ток стока I_D (I_С) при повышении напряжения на затворе V_G от нуля до некоторого положительного значения, превышающего пороговое напряжение МОП- структуры полевого транзистора.

При V_G < V_T концентрация электронов в подзатворной области очень мала, проводящий канал между истоком и стоком отсутствует. Всё напряжение V_DS падает на обеднённой области стокового p-n перехода, который оказывается включённым в обратном направлении. В выходной цепи стока течёт малый обратный ток стокового p-n перехода (подпороговый ток стока).

При V_G > V_T исток и сток транзистора оказываются соединёнными проводящим каналом (рис. 6.1.3а). Заполнение канала электронами происходит очень быстро благодаря инжекции из n⁺ области истока в подзатворную область. В цепи стока будет протекать некоторый ток I_D. При заданном напряжении V_DS > 0 проводимость канала и, следовательно, ток стока зависят от напряжения на затворе V_G. Удельный заряд инверсного слоя выражается равенством (2.4.22)

. (см. 2.4.22)

Изменяя потенциал V_G на управляющем электроде, можно управлять током I_D в управляемой цепи стока. При этом в управляющей цепи исток-затвор переменная составляющая тока весьма мала (постоянная составляющая сток - затворного тока для МДП-транзисторов строго равна нулю). Следовательно, МОП – транзистор способен усиливать управляющий сигнал по мощности и тем самым играть роль активного элемента цепи.

6.1.4. Выходные и передаточные характеристики

МОП-транзисторов

Основной статической характеристикой прибора является выходная (стоковая) вольтамперная характеристика в схеме с общим истоком

I_D = I_D(V_DS) при V_G = const. (6.1.1)

На ней различают крутую область (линейный режим), пологую область (режим насыщения) и область (режим) пробоя (рис. 6.1.3).

Рис. 6.1.3. Работа МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа в статическом режиме (сечение МОП-транзистора при V_G > V_T и различных напряжениях V_DS; графики выходных характристик):

а – V_DS » 0; б – V_DS = V_{DS sat} ~ (V_G – V_T); в – V_DS > (V_G –V_T); г – графики выходных характеристик I_D = I_D(V_DS) при различных V_G > V_T .

При V_G > V_T и V_DS = 0 тока в канале нет, и МОП-структура находится в состоянии равновесия.

Линейный режим

При V_G > V_T и малых положительных напряжениях V_DS вдоль канала действует слабое электрическое поле, благодаря которому электроны (основные носители инверсного канала) совершают дрейф от истока к стоку. Канал представляет собой резистор, сопротивление которого уменьшается обратно пропорционально напряжению (V_G - V_T). Поэтому в начале крутой области выходная характеристика близка к линейной

I_D = Y_DS ·V_DS ~ Q_n·V_DS = C_OX(V_G - V_T) ·V_DS . (6.1.2)

Чем больше V_G, тем круче идёт начальный участок ВАХ (см. рис. 6.1.3г). На рис. 6.1.3а и 6.1.3б показано, что по мере продвижения от истока к стоку толщина канала уменьшается, а ширина обеднённой области индуцированного p-n перехода возрастает. Это обусловлено падением напряжения V_DS сток - исток вдоль канала (рис. 6.1.4). При отличном от нуля токе стока картина распределения Ψ – потенциала в подзатворной области полупроводника становится двумерной (ширину канала считаем достаточно большой). Потенциал на поверхности подзатворной области полупроводника Ψ_S возрастает от истока к стоку, а разность потенциалов между затвором и поверхностью индуцированного канала V_GC уменьшается в том же направлении. При этом напряжение V_CB на обеднённой области индуцированного p-n перехода канал - подложка возрастает по мере приближения к стоку, и её ширина увеличивается (см. рис. 6.1.4). Уменьшение напряжения V_GC приводит к уменьшению удельного заряда электронов в канале Q_n . Об этом явлении говорят, что инверсный канал сужается по направлению к стоку. Если далее при V_G = const увеличивать напряжение V_DS, то при определённом напряжении на стоке, называемом напряжением насыщения V_{DS sat} ~ (V_G – V_T), плотность поверхностного заряда электронов в инверсном канале у стока становится пренебрежимо малой. Принято говорить, что происходит перекрытие или отсечка канала у стока. На рисунках, соответствующих этому режиму, показывают уменьшение толщины канала у стока до нуля.

Режим насыщения

При V_DS > V_{DS sat} канал перекрывается не в одной точке, а на участке конечной длины ΔL = L - L′ (см. рис. 6.1.3в). Область перекрытия канала представляет собой часть обеднённой области индуцированного p-n перехода, вышедшей на подзатворную поверхность полупроводника. С ростом напряжения V_DS протяжённость перекрытой части канала ΔL растёт, а длина инверсного канала L′ = (L – ΔL) уменьшается, т.е. происходит модуляция длины канала под действием напряжения сток – исток. Потенциал (относительно истока) на «острие» канала в точке Y = L′ сохраняется на уровне V_{DS sat} , а к перекрытому участку канала, т.е. к подзатворной обеднённой области прикладывается остальная часть выходного напряжения (V_DS - V_DSsat). Для стокового p-n перехода оно является обратным. (Следует отметить, что особенностью стокового p-n перехода в режиме отсечки канала является отсутствие квазинейтральной р - области вблизи подзатворной поверхности полупроводника). Напряжённость продольного электрического поля Е_У на участке перекрытия значительно больше, чем в неперекрытой части канала. Электроны, подходящие со стороны истока к «острию» канала экстрагируются сильным электрическим полем и переносятся к стоку, приобретая при этом скорость, близкую к предельной скорости дрейфа (для кремния предельная скорость дрейфа достигает величины 10⁷ см/с, что сравнимо со скоростью теплового хаотического движения носителей). Поэтому при перекрытии (отсечке) канала ток стока не прекращается, а напротив, даже растёт с увеличением напряжения V_DS. Так происходит потому, что с ростом V_DS длина инверсного канала L′ сокращается и сопротивление канала уменьшается, а приложенное к нему напряжение V_DS ≈ V_{DS sat} остаётся неизменным. Напряжённость продольного электрического поля в канале Е_У возрастает, что и приводит к некоторому увеличению дрейфовой составляющей тока стока. Однако если ΔL << L, возрастание тока стока будет небольшим. Наклон пологой части выходной ВАХ невелик. Поэтому указанный режим работы МОП – транзистора называют режимом насыщения. Если же величина ΔL соизмерима с L, то изменение тока стока на рассматриваемом участке может быть достаточно заметным, и различие между крутой и пологой областями выходной характеристики выражено менее ярко. Подобное поведение ВАХ характерно для МОП – транзисторов с коротким каналом. Эффект модуляции длины канала в короткоканальных транзисторах проявляется гораздо заметнее, чем в длинноканальных.

Режим пробоя

В длинноканальных МОП – транзисторах при дальнейшем возрастании V_DS напряжение, приложенное к перекрытой части канала, может достигнуть напряжения лавинного пробоя стокового p-n перехода. В подзатворной обеднённой области вблизи стока возникнут условия для лавинного умножения носителей. Соответствующий участок ВАХ пойдёт гораздо круче, чем в области насыщения (см. рис. 6.1.3г).

В короткоканальных транзисторах при достаточно больших значениях V_DS область перекрытия канала может распространиться вплоть до истока. Произойдёт полное (сквозное) перекрытие канала, что соответствует смыканию обеднённых областей обоих p-n переходов – истокового и стокового. При этом продольная составляющая электрического поля Е_У заметно возрастает во всей подзатворной области. Вследствие этого снижается потенциальный барьер для электронов на истоковом p-n перходе, и резко возрастает инжекция электронов из истока в подзатворную область (истоковый p-n перход включён в прямом направлении). Захваченные сильным полем инжектированные электроны переносятся к стоку. Всё это приводит к заметному росту тока стока. Т.о. сквозное перекрытие канала является разновидностью пробоя МОП – транзистора. Следует также отметить, что для в рассматриваемом режиме для истокового n⁺-p перехода, как и для стокового, отсутствует квазинейтральная р – область в подзатворной поверхности полупроводника, а имеются лишь области обеднения. Формируется своеобразная n⁺- обеднённая область - n⁺- структура, в которой протекают явления инжекции и экстракции основных для канала носителей зряда.

Дата добавления: 2014-10-17; просмотров: 1265; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!