Проходные и переходные характеристики МДП-транзистора

1. Проходные и переходные характеристики МДП-транзистора Трифонова Н. Харлукова О. гр. 21302

2. Полевой транзистор с изолированным затвором - это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. Полевой транзистор с изолированным затвором состоит из пластины полупроводника (подложки) с относительно высоким удельным сопротивлением, в которой созданы две области с противоположным типом электропроводности). На эти области нанесены металлические электроды - исток и сток. Поверхность полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем диэлектрика (обычно слоем оксида кремния). На слой диэлектрика нанесен металлический электрод - затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП- транзисторами или МОП- транзисторами (металл - оксид- полупроводник).

3. Физическая основа МДП-транзистора • Физической основой работы МДП‑транзистора является эффект поля, который состоит в изменении концентрации свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля. В структурах металл – диэлектрик – полупроводник внешнее поле обусловлено приложенным напряжением на металлический электрод (затвор) относительно полупроводниковой подложки. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения различают три состояния приповерхностной области полупроводника.

4. Зонная диаграмма МДП-структуры:а–обогащение, VG >0, ψs >0; б – обеднение, VG <0, ψs <0, ; в–инверсия, VG <<0, ψs <0, – слабая инверсия

5. 1)Обогащение основными носителями. Этому состоянию соответствует знак напряжения на металлическом электроде (затворе), притягивающий основные носители (для n‑типа, VG >0) (рис.1а). • 2)Обеднение основными носителями. Этому состоянию соответствует небольшое по величине напряжение, отталкивающее основные носители (для n‑типа, VG <0) (рис.1б). • 3)Инверсия типа проводимости. Такому состоянию соответствует большое по величине напряжение на затворе, соответствующее значитель­ным изгибам зон и вызывающее обогащение поверхности неосновными носи­телями заряда (для n‑типа, VG <<0) (рис.1в).

6. 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 объема подложки слоем обеднения. • Когда на поверхности полупроводника сформировался инверсионный канал, величина концентрации неосновных носителей заряда (дырок) в инверсионных каналах равна концентрации основных носителей (электронов) в объеме полупроводника. При этом величина поверхностного потенциала ψs равна ψs =2φ0, где φ0–расстояние от середины запрещенной зоны до уровня Ферми в квазинейтральном объеме. Изменяя величину напряжения на затворе, можно менять концентрацию дырок в инверсионном канале, и тем самым модулировать его проводимость. При этом дырки в канале отделены от свободных носителей в объеме полупроводника областью пространственного заряда.

7. Ток в канале МДП-транзистора, изготовленного на подложке n‑типа, обусловлен свободными дырками, концентрация которых r. Электрическое поле Еy обсловлено напряжением между стоком и истоком Vd. Согласно закону Ома плотность тока канала где q – заряд электрона, μp – подвижность и p(x) – концентрация дырок в канале. Характеристики МОП ПТ в области плавного канала

8. Проинтегрировав предыдущую формулу по ширине z и глубине x канала. Тогда интеграл в левой части дает полный ток канала Id, а для правой получим Величина под интегралом есть полный заряд дырок Qp в канале на единицу площади. Тогда

9. МДП транзистора в области плавного канала

10. Эффект смещения подложки • При приложении напряжения между истоком и подложкой при условии наличия инверсионного канала падает это напряжение падает на обедненную область индуцированного p-n перехода. В этом случае при прямом его смещении будут наблюдаться значительные токи, соответствующие прямым токам p-n перехода. При попадании таких токов в сток транзистор прекращает работу. Поэтому используется только напряжение подложки противоположного знака по сравнению с напряжением стока.

11. При приложении напряжения канал-подложка происходит расширение ОПЗ и увеличение заряда ионизованных акцепторов

12. Поскольку напряжение на затворе VGS постоянно, то постоянен и заряд на затворе МДП-транзистора Qm. Следовательно, из уравнения электронейтральности вытекает, что если заряд акцепторов в слое обеднения QB вырос, заряд электронов в канале Qn должен уменьшиться. С этой точки зрения подложка выступает как второй затвор МДП-транзистора, поскольку регулирует также сопротивление инверсионного канала между истоком и стоком. При возрастании заряда акцепторов в слое обеднения возрастает и пороговое напряжение транзистора VT. Изменение порогового напряжения будет равно

13. Поскольку смещение подложки приводит только к изменению порогового напряжения VT, то переходные характеристики МДП-транзистора при различных напряжениях подложки VSS смещаются параллельно друг другу.

14. ВАХ МДП-транзистора в области слабой и сильной инверсии • Соотношение ВАХ МДП-транзистора для области слабой инверсии

15. В области слабой инверсии зависимость тока стока Ids от напряжения на затворе Vgs- экспоненциальная функция . Ток стока не зависит практически от напряжения на стоке, выходя на насыщение при напряжениях исток-сток Vds порядка долей вольта. При Nss->0 ток канала имеет диффузионный характер. Когда МДП-транзистор работает при напряжении на затворе Vgs больше порогового напряжения Vt и напряжениях на стоке Vds больше напряжения отсечки Vds* . Точка отсечки соответствует переходу от области сильной к области слабой инверсии. Слева от точки отсечки в сторону к истоку канал находиться в области сильной инверсии , ток дрейфовый , заряд свободных электронов постоянен по всему каналу. Справа в сторону к стока область канала находиться в слабо инверсионном состоянии, ток диффузионный, заряд свободных электронов линейно изменяется вдоль инверсионного канала.

16. Влияние напряжения смещения канал-подложка VSS на проходные характеристики транзистора в области плавного канала VDS=0.1 B

17. Переходные характеристики МДП-транзистора при нулевом и -10В напряжении канал-подложка