книги из ГПНТБ / Агаханян Т.М. Основы транзисторной электроники

пый заряд с плотностью qs = eNs. (По данным работы [Л. 75] плотность поверхностных состояний Na равна примерно 4 • 101 1 см~2.) Под действием этого заряда отрицательно заряженные электроны перемещаются из объема полупроводниковой подложки и скапли­ ваются у поверхности. Положительный заряд поверхностных уров­ ней qs полностью компенсируется отрицательным зарядом накоп­ ленных электронов д,ш , и прибор в целом остается электрически нейтральным.

Таким образом, в равновесном состоянии (смещение на затворе U3 „ и напряжение стока UG,» равны нулю) в слое подложки, прилегающем к затвору, накапливаются электроны (рис. 6-10, а). При этом образуется электрическое поле, которое приводит к ис­

но потенциала ее объема). Металлический затвор, диэлектрик. (Si02 ) и приповерхностный слой подложки образуют плоский конден­

электрическая проницаемость). Изменив напряжением смещения заряд на одной нз обкладок этого конденсатора (металлическом затворе), можно изменить заряд на другой обкладке, т. е. изме­ нить концентрацию носителей заряда в приповерхностпом слое подложки.

При подаче на затвор отрицательного смещения свободные электроны, накопленные в подложке у границы кремний — оки­ сел, вытесняются в глубь полупроводника. Когда смещение на за­ творе Е3 становится равным o|)s0, отрицательный заряд, накаплива­ емый на металлическом затворе, полностью компенсирует положи­ тельный заряд поверхностных донорных уровней, и заряд свобод­ ных электронов в слое, прилегающем к затвору, становится рав­ ным нулю. При этом энергетические зоны выпрямляются (рис. 6-10, б), а концентрация электронов и дырок в приповерхностном слое становится такой же величины, что и в объеме подложки.

Если дальше увеличивать плотность заряда на затворе д3 (увеличением по абсолютной величине отрицательного смещения Е3), то излишек заряда |g3 | — \qs\ будет способствовать еще боль­ шему вытеснению электронов из слоя подложки, прилегающего к затвору. Обеднение этого слоя будет происходить до тех пор, пока плотность заряда положительных ионов донорных примесей

верхность полупроводника приобретает собственную электропро­

220

совпадает с уровнем Ш1 (рис. 6-10, в). Заряд иа затворе компенси­ рует заряд поверхностных донорных уровней и положительный заряд ионов в образовавшемся под затвором обедненном слое.

Дальнейшее увеличение отрицательного смещения на затворе приводит к накоплению подвижных дырок в приповерхностном слое. В подложке с электронной электропроводностью возникает инверсный слой с дырочной электропроводностью, который обра­ зует канал р-типа, соединяющий исток со стоком (рис. 6-10, е). Таким образом, индуцируется канал, через который под действием источника питания от истока к стоку перемещаются основные носители (в данном случае дырки), образуя ток в цепи стока.

По мере удаления в глубь полупроводника концентрация ин­ дуцированных дырок спадает, и на некотором расстоянии, рав­ ном толщине канала, полупроводник будет иметь собственную электропроводность. Далее следуют обедненный подвижными носителями заряда переходный слой и основной объем подложки с исходной электронной электропроводностью. Таким образом, канал, исток и сток, представляющие собой рабочие области транзистора, оказываются изолированными от основного объема подложки р-п переходами, смещенными в обратном направлении под действием приложенной разности потенциалов между соот­ ветствующими электродами и подложкой транзистора.

В рассматриваемом примере тип электропроводности канала отличен от типа электропроводности подложки. Следует под­ черкнуть, что это является характерной особенностью современ­ ных МДП-транзисторов, изготовленных на полупроводниковой подложке.

Напряжение затвора £ / п о р , при котором индуцируется канал, называется пороговым напряжением. Это напряжение можно определить [Л. 74] из формулы

физический смысл которой заключатся в следующем: С/Пор опре­

ющем к затвору. Любое дополнительное напряжение на затворе, превышающее Unop, создает заряд на затворе, который должен быть нейтрализован равным по величине зарядом индуцированных в канале носителей.

Следует отметить, что индуцирование канала не происходит внезапно (т. е. так, что при каком-то определенном напряжении затвора все носители полностью удаляются из канала, а при малом приращении напряжения на затворе в канале тотчас же возникает инверсный слой). Канал возникает по­ степенно, по мере увеличения напряжения на затворе. Чтобы исключить не­ однозначность в определении зеличины Спор, при практических расчетах за j/nop принимают то напряжение, при котором потенциал поверхности \j>s

221

становится равным удвоенной величине потенциала Ферми ф^. При этом на поверхности уровень Ферми %р смещается отиоснтельпо уровня Ш\ па вели­ чину —e<pF (рис. 6-10, г). Это означает, что в приповерхностном слое концен­

трация дырок превышает концентрацию электронов, т. е. фактически уже капал индуцирован и в нем имеются дырки с плотностью заряда qplu равной

плотности заряда примесей в подложке. Пороговое напряжение транзистора £/Пор определяется как смещение, индуцирующее на затворе заряд, необхо­ димый для полной нейтрализации заряда поверхностных уровней qa, заряда обедненного слоя д0б и заряда подвижных носителей qpn в инверсном слое —

канале прп их концентрации, равной концентрации примесей в подложке:

(перед последним слагаемым знак плюс ставится для подложки п-типа, а знак минус для подложки р-тппа). Прп выводе соотношения (6-11) предполагалось, что обедненный слой представляет собой ступенчатый переход с плотностью заряда

g 0 6 = e i V n H / n . B .

Как известно (см. § 3=6), ширина такого перехода определяется выражением И Г „ . 8 = I / 2-

где е п и JVn — диэлектрическая проницаемость и концентрация примесей в подложке; i|)s — контактная разность потенциалов па переходе, равная разности потенциалов на поверхности и объеме. При пороговом смещении эта разность равна \|)s = 2yF.

С превышением напряжения £/3 „ над пороговым ток 10 воз­ растает (рис. 6-11). Это увеличение тока 1С происходит не за счет расширения канала (как это имеет место в транзисторе с управля­ ющим р-п переходом), а в результате роста концентрации под­ вижных носителей заряда в канале. С увеличением напряжения U3_и ширина канала практически не меняется (при смещениях, близких к Unop, она устанавливается на уровне 25—50 А).

транзистора со встроенным каналом в цепи стока может проте­ кать ток и при нулевом смещении на затворе.

222

На рпс. 6-11 показана стокозатворная характеристика тран­ зистора со встроенным каналом р-типа. Из этой характеристики видно, что с увеличением отрицательного смещения ток стока возрастает, и лишь при положительном смещении определенной величины, равной напряжению отсечки U0, ток 1С перестает про­ текать. При этом напряжении положительный заряд, накопленный на затворе под действием источника смещения, почти полностью вытесняет дырки из слоя, прилегающего к затвору, канал исче­ зает и ток прекращается.

На рис. 6-12 представлены графики, иллюстрирующие дейст­ вие напряжения затвора на работу МДП-транзистора со встроен­

приращение их заряда было достаточно для компенсации поло­ жительного заряда, накапливаемого на металлическом затворе транзистора. Такой режим работы называется режимом обога­ щения. Отметим, что в таком же режиме работает и МДП-тран- зистор с индуцированным каналом.

При отрицательном смещении на затворе часть электронов вытесняются из канала, поэтому канал обедняется (и ток стока становится меньше, чем при нулевом смещении). Такой режим работы, свойственный только транзисторам со встроенным кана­ лом, называется режимом обеднения.

По мере увеличения отрицательного смещения на затворе канал все больше обедняется электронами, поэтому ток стока спадает. Когда это смещение возрастает настолько, что отрица­ тельный заряд, накопленный на затворе под действием источника смещения, становится равным заряду электронов, которые запол­ няли канал в равиовесном состоянии, то в канале почти не оста­ ется электронов и ток в цепи стока прекращается. В этом случае заряд поверхностных уровней полностью компенсируется заря-

223

основании уравнения (6-12) можно показать, что напряжение

-Si

отсечки МДП-транзистора со встроенным каналом определяется выражением 1

(знак плюс ставится для подложки n-типа, а знак минус для подложки р-типа): при практических расчетах можно считать

1|>, = ф/г.

При выводе формул (6-13) и (6-11) учитывалась лишь разность потенциалов a|)s0, которая возникает под действием поверхности

1 Это выражение можно получить так же, как была выведена формула (6-11). •

224

пых состояний. Между тем изменение заряда подвижных носи­ телей в канале обусловлено не только влиянием поверхностных состояний, но и действием контактной разности потенциалов, которая появляется в структуре МДП из-за разности работ вы­ хода металла, диэлектрика и полупроводника. Именно по этой причине пороговое напряжение и напряжение отсечки зависят от материала затвора [Л. 9]. Влияние заряда подвижных носителей,

г|)8Й суммарную величину, учитывающую действие поверхностных состояний и контактной разности потенциалов.

Рассмотрим, как будет изменяться ток стока / 0 с изменением

напряжения на стоке Uc „ при постоянном смещении на'затворе [Ua.vr= const). Если бы с изменением £/с „ не менялись ширина

канала и концентрация основных носителей в канале, то зависи­ мость тока 1С от напряжения Uca описывалась бы линейной

функцией. При низких напряжениях и наблюдается именно такая зависимость. Однако с увеличением Uc и постепенно уменьша­ ется концентрация основных носителей в канале (в особенности в той его части, которая расположена ближе к стоку), и поэтому замедляется нарастание тока 1С- Уменьшение концентрации ос­ новных носителей объясняется тем, что перепад напряжения в канале приводит к уменьшению смещения на затворе вдоль ка­ нала по мере приближения к стоку. Как известно, этим смещением, определяемым разностью потенциалов между затвором и каналом, именно и модулируется концентрация основных носителей в

одновременно с уменьшением концентрации носителей происхо­ дит сужение капала вблизи стока, где смещение на затворе ока­ зывается наименьшей величиной. Когда напряжение на стоке становится равным (7С_Пер) канал вблизи стока перекрывается, и рост тока стока 1С практически прекращается (рис. 6-13, а). "'

Можно показать [Л. 74], что при напряжениях стока, не превышающих напряжение перекрытия канала -Уо.пер! зависи-

мость тока стока 1С от напряжений иа электродах транзистора определяется соотношением

каналом.

При напряжениях на стоке, превышающих по абсолютной величине напряжение перекрытия Uc пер, уравнение для тока 1С

Рис. 6-14. Стоко­ вые характеристи­ ки МДП-транзис-

торов с ппдуцпрованным (а) п со

встроеииым (б) ка­

можно получить из соотношения (6-14), из которого следует, что

не меняется, то формулу (6-15) можно использовать для опреде­ ления стоковой характеристики и в пологой области.

транзисторов с индуцированным и со встроенным каналами р-типа эти характеристики были показаны на рис. 6-11.

Проводимостью канала, а следовательно, п током стока можно управ­ лять также напряжением смещения на подложке. Прп работе транзистора

1 Выражение (6-15) получается аналогично соотношению (6-2) для тран­ зистора с управляющим р-п переходом.

226

основных носителей). При этом с ростом разности потенциалов между капалом п подложкой, обусловленной увеличением напряжения па стоке, резко уменьшается ширина канала, и он перекрывается при меньших величинах Uс. пер-

6-4. СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ РАЗЛИЧНОЙ СТРУКТУРЫ

Сравним между собой полевые транзисторы с управляющим р-п переходом, с индуцированным и со встроенным каналами. Формально вольт-амперные характеристики этих транзисторов можно описать одними и теми же уравнениями:

Стоковое напряжение перекрытия определяется следующими выражениями:

для транзисторов с управляющим р-п переходом и со встроен­ ным каналом

Uс.пер = U3 п U0',

для транзистора с индуцированным каналом

Uс. пер = U3m ц • Unop-

Коэффициент пропорциональности кП_т , характеризующий квад­ ратичную зависимость тока стока от напряжений, определяется геометрическими размерами прибора и электрофизическими па­ раметрами полупроводникового кристалла [см., например, урав­ нения (6-14) и (6-15)].

228

Все три вида полевых транзисторов представляют собой при­ боры с квадратичной характеристикой в пологой области. Строго говоря, соотношением (6-19) определяется зависимость тока на­

сыщения 1С п а с (ток стока в момент перекрытия канала) от напря­ жения Uс. пер-

Это отношение определяется параметрами полупроводникового кристалла и геометрией прибора и не зависит от смещений на затворе и подложке. С изменением этих напряжений изменяется и ток насыщения и напряжение перекрытия, причем так, что указанное отношение остается постоянным. Из выражения (6-21) также следует, что для транзисторов с управляющим р-п перехо­ дом и со встроенным каналом, т. е. для приборов, способных про­ водить ток при нулевом смещении на затворе, коэффициент кПшТ имеет определенный физический смысл: он равен отношению тока

Сравним транзисторы различной структуры с точки зрения удобства их управления и полярности включения источников питания. В табл. 6-1 показана полярность включения напряжений стока и смещения иа затворе для транзисторов различных типов.

Транзисторы с n-каналом обладают более высоким быстро­ действием, чем транзисторы с р-каналом (из-за большей под­ вижности электронов). МДП-транзисторы с п- и р-каиалами имеют разные пороговые напряжения С/п о р . Типичные значения Uaop составляют 0,25—1 в для приборов с n-каналами и — (2 4) в для приборов с р-каналом [Л. 76].

Из всех видов транзисторов только транзистор с индуциро­ ванным каналом при нулевом смещении на затворе не проводит тока. Это позволяет строить схемы, в которых для запирания транзистора ие требуется дополнительных источников смещения. Транзистор со встроенным каналом может проводить ток как при положительном смещении, так и при отрицательном. Для его

в случав электронной электропроводности. Полярность запираю­

229