ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Рисунок 13 1 — упрощенная структура

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Рисунок 13. 1 - упрощенная структура полевого транзистора с управляющим p–n – переходом. Полевой транзистор это полупроводниковый прибор, в котором управление током, протекающим между двумя электродами, осуществляется с помощью напряжения, приложенного к третьему электроду. Управление током в полевых транзисторах осуществляется с помощью электрического поля либо за счет изменения площади поперечного сечения проводящего полупроводникового слоя, через который проходит рабочий ток, либо за счет изменения удельной проводимости этого слоя. Проводящий полупроводниковый слой называется каналом. Полевой транзистор в отличие от биполярного называют униполярным, поскольку ток в нем образуется только основными носителями заряда. Электрод, через который втекают носители заряда в канал называется истоком , а электрод, через который из канала вытекают носители заряда, называется стоком. В принципе эти электроды обратимы. Третий, управляющий, электрод называется затвором. Полевой транзистор с изменяющимся сечением канала называется транзистором с управляющим p - n - переходом 1

Полевой транзистор с управляемым переходом Рисунок 13. 2 - Форма обеднённой области при подаче смещения. UЗИ <0 Если внешние напряжения отсутствуют, то поле внутри канала равно нулю, поперечное сечение максимально. Если к стоку относительно истока подать положительное напряжение u. СИ > 0, то электроны n канала устремятся от минуса к плюсу источника , образуя во внешней цепи токи i. И и i. С. Если теперь к затвору приложить отрицательное напряжение относительно истока, то есть u. ЗИ < 0, то ширина p–n – перехода увеличится, в основном в n - область, уменьшив тем самым поперечное сечение канала. Если напряжение u. СИ мало, форма p–n – перехода и канала изменятся симметрично относительно истока и стока (см. рис. 13. 2). 2

Полевой транзистор с управляемым переходом Рисунок 13. 3 - Уширение формы обедненной области у стока при подаче напряжения на сток UСИ > 0 и |UЗИ| < UЗИ, ОТС При |UЗИ| > UЗИ, ОТС , где UЗИ, ОТС - модуль напряжения на затворе, соответствующего полному перекрытию канала p–n переходом, ток через канал станет равным нулю. Этот режим работы транзистора называется режимом отсечки. Если же напряжение между истоком и стоком UСИ > 0 и |UЗИ| < UЗИ, ОТС , то в канале будет протекать ток, который, проходя вдоль канала, создаст падение напряжения, увеличивающееся от истока к стоку (почти линейно). Поэтому область p–n -перехода у стокового конца будет шире, чем у истокового (см. рис. 13. 3). 3

Полевой транзистор с управляемым переходом Рисунок 13. 4 - Концентрация электронов равна концентрации легирующей примеси ND, пока электрическое поле не превышает критического значения Ɛс, приводящего к насыщению скорости носителей v. Потенциал вдоль канала увеличивается от нуля до VD на стоке. Следовательно обратное смещение перехода затвор - канал и локальная ширина обеднённого слоя также увеличиваются по мере приближения к стоку. Результирующие уменьшение толщины проводящего канала должно быть скомпенсировано увеличением дрейфовой скорости носителей вдоль канала за счёт увеличения электрического поля, так, чтобы величина полного тока оставалась неизменной по длине канала. С увеличение напряжения стока VD электрическое поле в канале у стока (при некотором VD=VDsat) достигает критического значения Ɛс, а скорость электронов - скорости насыщения (рис. 13. 4 в). При этом наименьшая ширина канала у стока достигнет минимального значения , а ток транзистора начинает насыщаться 4

Полевой транзистор с управляемым переходом При дальнейшем увеличении тока стока (VD>VD sat) обеднённая область расширяется к стоку (рис. 13, 4 г). Однако точка х1, где электроны впервые достигают скорости насыщения, смещается в противоположном направлении (к истоку), падение напряжения между истоком и точкой Х 1 уменьшается, и, следовательно, ширина канала в точке увеличивается ( > ). Поэтому ток инжекции электронов из электронейтральной части канала (Х<Х 1) в область насыщения дрейфовой скорости (Х 1

Полевой транзистор с управляемым переходом Рис. 13. 4 (13. 1) По мере продвижения точки Х 1 к стоку потенциал в канале растёт, ширина обеднённой области увеличивается, а проводящий канал сужается. Но, поскольку скорость электронов в этой области уже не зависит от электрического поля и равна скорости насыщения, для компенсации этого сужения канала и обеспечения сохранения полного тока концентрация электронов здесь увеличивается и становится больше концентрации доноров. Поэтому в соответствии с уравнением (13. 1) в части канала. Где , т. е. при (Х 1

Полевой транзистор с управляемым переходом Отрицательное напряжение на затворе (рис. 13. 4, д) увеличивает ширину обеднённой области и, следовательно, сужает канал, что увеличивает сопротивление на линейном (при малых VD) участке характеристики транзистора. При этом уменьшается напряжение VDsat, при котором в наиболее узкой части канала (глубиной > достигается критическое поле Ɛс. Поэтому при VG < 0 участок насыщения характеристики транзистора начинается при меньших напряжениях и токах, чем при VG=0. При дальнейшем увеличении напряжения стока VD>VDsat у стокового края затвора также образуется дипольный слой (рис 13. 4 е), обеспечивающий непрерывность полного тока в канале Рис. 13. 4 (13. 1) 7

Полевой транзистор с управляемым переходом • • Рассмотрим поведение канала при увеличении напряжения UСИ и UЗИ < 0. При отрицательном напряжении затвора относительно истока ток через затвор равен нулю. По мере сужения канала линейный рост падения напряжения (и соответственно напряженности электрического поля) прекращается, и рост тока стока замедляется. При некотором значении UСИ площадь канала сужается настолько, что поток электронов через него прекращается, это влечет за собой уменьшение падения напряжения на канале; напряженность электрического поля уменьшается, площадь канала увеличивается, ток стока увеличивается, это приводит к увеличению напряженности электрического поля и т. д. В канале устанавливается некое динамическое равновесие, при котором у стока образуется узкая горловина канала, имеющая фиксированную площадь сечения. Ток стока в этом режиме практически не зависит от напряжения UСИ. Это так называемый режим насыщения. Напряжение между стоком и истоком, соответствующее возникновению этого режима, называется напряжением насыщения UСИ, НАС. При UСИ >> UСИ, НАС может возникнуть пробой p–n – перехода, в этом случае ток резко увеличивается 8

Полевой транзистор с управляемым переходом Наиболее часто применяются схемы с ОИ. Поэтому в справочниках обычно даются характеристики и параметры именно для этого способа включения. На рис. 13. 5 показано семейство выходных ВАХ транзистора с ОИ. Рисунок 13. 5 - Выходные (а) и входные (б) характеристики полевого n- канального транзистора с управляющим pn переходом Омическая область соответствует начальному линейному участку ВАХ при малых напряжениях сток-исток, область насыщения, где ток стока мало зависит от напряжения сток-исток и увеличивается лишь с увеличением напряжения затвор - исток, режим отсечки, в которой ток стока определяется обратным током p–n -перехода, и, наконец, область пробоя. Обычно транзисторы с управляющим p–n переходом в усилительных схемах работают при отрицательных напряжениях на затворе, ток затвора при этом равен нулю. Поэтому входные ВАХ как правило не приводятся. В справочниках может быть приведено семейство так называемых сток - затворных ВАХ (или проходных характеристик) - зависимости тока стока от напряжения затвор-исток (см. рис. 13. 5 б). 9

Полевой транзистор с управляемым переходом Рисунок 13. 4 - Схемное обозначение полевого транзистора с управляющим pn переходом . Параметры При работе транзистора в усилительном (линейном) режиме основными параметрами являются крутизна S сток - затворной характеристики при постоянном напряжении UСИ : , (13. 1) коэффициент усиления полевого транзистора µ: , (13. 2) внутреннее сопротивление Ri полевого транзистора: , (13. 3) Крутизна, коэффициент усиления и внутреннее сопротивление связаны между собой соотношением (13. 4) 10

. МОП структура Рисунок 14. 1 - Структура металлдиэлектрик - полупроводник (МДП структура или МОП - структура) Рисунок 14. 2 - Зонная диаграмма идеальной МОП структуры с полупроводником n- типа. m - работа выхода металла, - сродство к электрону полупроводника, В - разность между уровнем Ферми EF и положением уровня Ферми в собственном полупроводнике Ei Заряды в окисле отсутствуют, ток между металлом и п/п не течёт Толщина диэлектрика в современных МОП структурах, используемых для формирования сверхбольших интегральных схем доходит до величины 2 нм (несколько молекулярных слоёв Si. O 2), а прикладываемое напряжение V бывает положительным или отрицательным в зависимости от типа проводимости полупроводника. 11

МОП структура Рисунок 14. 3 - Зонные диаграммы идеальной МОП структуры для V 0 - режим обогащения, б - режим обеднения, в - режим инверсии Можно заметить, что при подаче напряжения VТ на затвор произошёл изгиб зон от первоначального значения (рис. 14. 2) на величину 2 В. В этом случае в полупроводнике возникает pn переход между областью р- типа на поверхности и n- типа в глубине, в котором присутствует обеднённая область, толщиной W. При этом для обеспечения электронейтральности заряд на металлическом электроде Qm должен быть равен сумме электронного заряда в в области инверсии Qp и заряда ионизированных доноров в области обеднения - q. Nd. W: , 4. 1) где Qs - полная поверхностная плотность заряда в полупроводнике. (Все заряды здесь отнесены к единице площади границы раздела). 12

Пороговое напряжение МОП структуры • Приложенное напряжение V делится между полупроводником и изолятором, т. е. , • • (14. 2) где Vi - падение напряжения на слое диэлектрика, а s - поверхностный потенциал. По закону Гаусса объёмный заряд, отнесённый к единице площади границы раздела, индуцировавший электрическое поле, составляет , * • • (14. 3) где s - диэлектрическая проницаемость полупроводника, т. к. напряжение V связано с электрическим полем Е и толщиной диэлектрика d: , а поле Е связано с зарядом Q , то , • (14. 4) где Сi i / d - удельная емкость диэлектрика 13

Пороговое напряжение МОП структуры • • • При достижении порогового напряжения, когда поверхностный потенциал s=2 B=Vs имеем: (14. 5) Т. к в этом режиме почти весь заряд Qs определяется зарядом ионизированных доноров, то , • • • (14. 6) а толщина обеднённой W области индуцированного перехода связана с потенциалом соотношением (см. 3. 10): (14. 7), то (14. 8) После достижении напряжения VT изменение заряда Qs достигается накоплением дырок в поверхностной области (для n-кремния). Выведение формулы для порогового напряжения для полупроводника р- типа аналогично. Очевидно, что пороговое напряжение определяется концентрацией примеси в подложке N, толщиной диэлектрика d и его диэлектрической проницаемостью s. 14

Полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом • В полевых транзисторах с изолированным затвором последний отделен от полупроводника диэлектриком, как правило Si. O 2 в кремниевых структурах. По краям затвора создаются области проводимости, противоположные подложке, называемы стоком и истоком. Структура такого вида полевого МДП - или МОП транзистора показана на рис. 15. 1. Рисунок 15. 1 - Структура полевого транзистора с изолированным затвором (слева). справа - трехмерное изображение МОП транзистора 15

МОП транзистор Рисунок 15. 2 - Схемное обозначение n-канального и р- канального МОП транзистора При нулевом напряжении UЗИ = 0 канал между истоком и стоком отсутствует. Встречно направленные p–n – переходы препятствуют движению электронов от истока к стоку: канал отсутствует. При UЗИ > 0 возникающее под затвором электрическое поле будет отталкивать положительные заряды (дырки, являющиеся основными носителями в p–полупроводнике) в глубь полупроводника. При некотором пороговом значении напряжения между стоком и истоком под затвором UЗИ, ПОР (или VТ) накапливается достаточный слой электронов. Создается (индуцируется) проводящий канал, толщина которого может составлять 1. . . 2 нанометра и она далее практически не меняется. Удельная проводимость канального слоя зависит от концентрации электронов в нем. Изменяя UЗИ , можно менять величину тока стока. 16

ВАХ МОП транзистора Область насыщения Рисунок 15. 3 - Выходные характеристики n- канального МОП транзистора с индуцированным каналом а) ток стока при разных напряжениях на затворе UЗИ, б) ток стока в зависимости от напряжения на затворе Эти характеристики справедливы для случая, когда электрод подложки соединен с истоком. Если этот электрод используется для управления током стока, то тогда его называют «нижним затвором» , причем механизм этого управления аналогичен управлению самого затвора. 17

. Полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом Рисунок 15. 4 - Структура полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом Рисунок 15. 6 - Выходные характеристики n- канального МОП транзистора с встроенным каналом Если напряжение на затворе относительно истока отрицательно, то имеет место явление обеднения канала (уменьшение числа носителей заряда): в данном случае электроны выталкиваются из канала в p - область, что приводит к уменьшению тока через канал и при некотором значении UЗИ, ОТС. ток падает до нуля; при положительном же напряжении затвор-исток наоборот имеет место обогащение канала электронами, пришедших в канал из областей p и n+, что приводит к увеличению тока через канал. Таким образом этот полевой транзистор может работать и при положительных и при отрицательных значениях напряжения затвор-исток. При этом ток через затвор не протекает, так затвор изолирован от канала. 18

ВАХ МОП транзистора • Для ВАХ характерно нарастание тока стока при увеличении напряжения на стоковой области. Эта область называется линейной областью. С увеличением напряжения на стоке наступает момент, когда прямо у стока концентрация подвижного заряда, формируемого затвором Qn падает до нуля. Это условие соответствует началу отсечки канала и то напряжение на стоке, когда это происходит называется напряжением отсечки Uотс. Электроны из области канала инжектируют в сток, образуя ток Iнас. Дальнейшее увеличение напряжения на стоке приводит лишь к сдвигу точки отсечки к истоку при постоянном потенциале Uотс в точке отсечки, поэтому ток не увеличивается с увеличением u. СИ. Это область называется областью насыщения. 19

МОП транзисторы Рисунок 15. 2 - Схемное обозначение n-канального и р- канального МОП транзистора с индуцированным каналом Рисунок 15. 5 - Схемное обозначение n-канального и р- канального МОП транзистора с встроенным каналом 20

. Математические модели транзистора с общим истоком • а) Универсальная модель полевого транзистора (рис. 15. 7) описывает все режимы его работы. Рисунок 15. 7 - Эквивалентная модель полевого транзистора • Здесь r. С , r. И - объемные сопротивления стока и истока (достаточно небольшие), iy - источник тока, управляемый напряжением u. ЗИ. 21

Математические модели транзистора с общим истоком • Для области отсечки ток источника равен нулю. Чтобы описать ток в линейной области iy, необходимо руководствоваться выражениями для протекания тока • Электрическое поле и поверхностный потенциал, определяющий концентрацию носителей определяются из уравнения Пуассона: ( ) • В каждой точке канала существует свой потенциал, поэтому, чтобы найти общий ток необходимо просуммировать (проинтегрировать) все области сопротивления канала, где потенциал меняется от 0 до u. СИ, ОТС. После решения соответствующих уравнений[1] получим, что для линейной (омической) области при 0 < u. СИ < ( UЗИ, ОТС – u. ЗИ ) ток управляемого источника может быть аппроксимирован уравнением второго порядка: (15. 1) • • здесь - удельная крутизна сток - затворной характеристики, =W Ci /L [1] С Зи Физика полупроводниковых приборов Т 2, глава 8 22

Математические модели транзистора с общим истоком Линия начала насыщения при u. СИ > ( UЗИ ОТС – u. ЗИ ) определяется квадратичным уравнением (15. 2) Динамическая крутизна определяется как б) Упрощенная линейная модель. Если рабочая точка выбрана на линейном участке сток - затворной характеристики и мгновенные значения токов и напряжений не выходят за пределы этого линейного участка, то можно использовать упрощенную модель в виде управляемого источника тока, управляемого напряжением, с постоянными параметрами. Учитывая, что входной ток транзистора с общим истоком равен нулю, модель обычно представляют только для выходной цепи. Такая модели показана далее. 23

Упрощённая модель МОП транзистора Выходное напряжение транзистора равно u. СИ = - SRi UЗИ = -µ u. ЗИ (µ - коэффициент усиления или коэффициент передачи) При подключении нагрузки RН к транзистору, выходное напряжение определяется не внутренним сопротивлением транзистора, а параллельным соединением Rвых = Ri || RH. Таким образом, коэффициент передачи нагруженного транзистора с ОИ равен Рисунок 15. 8 - Упрощённая эквивалентная модель полевого транзистора (15. 4) Типовые значения основных параметров современных транзисторов при работе в усилительном режиме следующие: S = 0, 3. . . 3 м. А/В, Ri составляет несколько мегом. Транзисторы с управляющим p–n – переходом обладают наиболее низким среди полупроводниковых приборов уровнем шума в диапазоне частот от долей герц до сотен мегагерц, их входное сопротивление составляет 106. . . 109 Ом. Входное сопротивление транзисторов с изолированным затвором еще выше и составляет 109. . . 1015 Ом. 24

Двухзатворные транзисторы В этом случае площадь управляемого затвора (G 2) меньше и соответственно меньше паразитные токи и, соответственно, шумы Рисунок 15. 9 - Двухзатворный полевой n - канальный транзистор с управляющим pn переходом Рисунок 15. 10 – Ячейка МОП транзистора с плавающим затвором В отличие от обычного МОП - транзистора в ячейке памяти имеется еще один, изолированный от первого, затвор, называемый «плавающим» . Слои с проводимостью n+ (исток и сток) имеют повышенную концентрацию электронов. Плавающий затвор гальванически не связан с электродами. Его потенциал может изменяться только при изменении заряда на нем. При записи информации ( UЗИ > UЗИ, ПОР ) электроны из истока благодаря туннельному эффекту перебираются на плавающий затвор (слой изолирующего окисла кремния составляет всего лишь 10 - 6 нм ). Накопленный отрицательный заряд увеличивает пороговое напряжение UЗИ, ПОР , при этом выходной ток стока равен нулю. Поэтому в будущем при обращении к ячейке транзистор будет восприниматься как выключенный. При стирании информации ( UЗИ < UЗИ, ПОР ) электроны уходят с плавающего затвора в область истока. Транзистор без заряда на плавающем затворе при считывании воспринимается как включенный. Длительность цикла считывания меньше 9 нс. Состояние ячейки сохраняется более 10 лет. ячейки ФЛЭШ flash memory[1]) [1] Электрически перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство ЭППЗУ 25