Теория полевых транзисторов

Полевой транзистор (ПТ) представляет полупроводниковое сопротивление, управляемое электрическим полем, которое создается приложенным напряжением на т. н. затворе. Поэтому используется термин «полевой транзистор». Эффектом поля называется изменение поверхностной проводимости полупроводника при приложении поперечного относительно этой поверхности электрического поля. Существует несколько разновидностей ПТ. Все они являются активными, т. е. усилительными приборами. Рассмотрим физику работы ПТ с p-n переходом в качестве затвора. Упрощенная структура такого ПТ представлена на Рис.3.

Рис. 3

Обозначения: D – сток, S - исток, G – затвор. В зависимости от типа проводимости канала различают n – канальные и p – канальные ПТ. Принципиальной разницы в их работе нет, поэтому для определенности рассмотрим n – канальный ПТ. Канал n – типа и затвор p – типа образуют p-n переход. При подаче положительного напряжения U_d на сток (предполагается, что исток заземлен) через канал протекает дрейфовый ток основных носителей заряда – электронов, т. е. канал работает как обычное пп сопротивление (см. разделы 1-2). Для управления сопротивлением канала необходимо p-n переход «затвор – канал» сместить в обратном направлении, т. е. подать на затвор отрицательное напряжение Ug. При этом в приконтактной области канала образуется объемный заряд неподвижных ионов примеси или т. н. обедненный слой (см. теорию p-n перехода). Проводимость канала уменьшается. В пределе, при увеличении Ug (Ug = Ug₀, где Ug₀ – т. н. напряжение отсечки) канал полностью перекрывается областью объемного «заряда, т. е. его проводимость снижается практически до 0. Для p – канальных ПТ полярность приложенных напряжений обратная. Таким образом, в отличие от биполярных транзисторов, ПТ, во-первых, являются униполярными приборами (реализуется только дрейфовый ток основных носителей заряда), во-вторых, управляются напряжением Ug, т. е. являются усилителями напряжения, в-третьих, обладают повышенным входным сопротивлением «затвор – канал» за счет смещения соответствующего p-n перехода в обратном направлении.

Основным «внутренним» (физическим) параметром ПТ является ширина области объемного заряда, или, точнее, ширина проводящей области канала w, определяемая как разность между исходной (геометрической) шириной канала и шириной области объемного заряда. Этот параметр вычисляется на основе решения уравнений Пуассона для электрического поля p-n перехода «затвор – канал» (см. теорию p-n перехода и литературу). На основе величины w можновычислить один из «внешних» (электрофизических) параметров ПТ – управляемое сопротивление канала в зависимости от Ug

R_k = R_k0[1- (Ug/ Ug₀)^1/2] ^–1 , R_k0 = rh/ab,где R_k0 – исходное сопротивление канала при Ug =0, r - удельное сопротивление пп материала канала, h – геометрическая длина канала, a - геометрическая ширина канала, b – геометрическая толщина канала, Ug₀ – напряжение отсечкина затворе, определяемое условием Ug = Ug₀ при w = 0. При этом необходимо учитывать зависимость Ug = Ugн + U_d(h), где Ugн – начальное (исходное) напряжение на затворе, U_d(h) – текущее (изменяющееся) по оси h напряжение на стоке относительно заземленного истока. Последнее выражение характеризует клинообразную, сужающуюся от истока к стоку форму проводящей области канала. Полученные выражения позволяют записать следующее дифференциальное уравнение

d [U_d(h)]/dh = I_к[d R_k/dh] где I_к – канальный дрейфовый ток, причем

очевидно, что I_к = const(h), т. е. остается постоянным на всей длине канала, естественно при выполнении условий U_d = const, Ugн = const. Решение данного уравнения позволяет получить математическую форму ВАХ ПТ I_к (U_d), точнее семейство таких ВАХ в зависимости от управляющего напряжения на затворе Ugн (см. литературу). Следует отметить, что в отличие от биполярных транзисторов, полевые транзисторы характеризуются только выходными ВАХ представленного вида. Отсутствие входных ВАХ для ПТ объясняется параметрами входной цепи ПТ – весьма малым обратным током p-n перехода «затвор – канал». Графическая форма ВАХ ПТ представлена на Рис.4.

Рис. 4

Выделим следующие области ВАХ: 1 – линейная (омическая) область, которая определяется дрейфовым током основных носителей заряда. В этой области канал выступает в качестве обычного пп сопротивления. 2 – область насыщения, которая объясняется ограниченной концентрацией свободных носителей заряда в канале (условие насыщения – вовлечение всех свободных носителей заряда в токовый процесс). Математическая форма ВАХ ПТ представляет достаточно сложное выражение (см. литературу). Поэтому в инженерной практике используются основные параметры ВАХ ПТ, включающие:

I_кнас. – канальный ток насыщения, характеризующий область 2 ВАХ;

R_k – статическое сопротивление канала в области 1, характеризующее линейную область ВАХ;

r_к = dU_d/d I_кнас. – дифференциальное сопротивление канала в области 2, характеризующее нелинейность области насыщения ВАХ;

S = d I_кнас / d U_g – крутизна в области 2 ВАХ, характеризующая усилительные свойства ПТ (не путать с S – условным обозначением истока).

Рассмотрим схемотехнические особенности ПТ. Основной схемой включения ПТ в микроэлектронике является схема с общим истоком (ОИ). На основе рассмотренных свойств и параметров представим эквивалентную электрическую схему ПТ с общим истоком (Рис.5).

Рис. 5

Здесь присутствует ранее не рассмотренный элемент С_g – входная (затворная) емкость, определяемая для рассматриваемого типа ПТ барьерной емкостью обратно смещенного p-n перехода «затвор – канал» (см. теорию p-n перехода). Ее роль в работе ПТ весьма значима – она определяет практически все динамические свойства ПТ, поскольку, учитывая значительное входное сопротивление ПТ, его вход оказывается по существу емкостным. Представленная на Рис.5 эквивалентная схема и ее элементы, во-первых, отражают электрофизические свойства ПТ, во-вторых, определяют статические, импульсные и частотные свойства ПТ в микроэлектронных схемах. Более подробно об этих свойствах – см. литературу.

Среди разновидностей ПТ наибольшее практическое применение находят ПТ на основе МДП-структур - структур «металл (М) – диэлектрик (Д) – полупроводник (П)». Упрощенная структура такого ПТ с изолированным затвором представлена на Рис.6.

Рис. 6

Есть несколько особенностей, отличающих физические свойства ПТ на МДП-структурах от ПТ с p-n переходом в качестве затвора. Управление проводимостью пп канала в МДП-структуре осуществляется за счет эффекта электростатической индукции, т. е. за счет индуцирования свободных носителей заряда определенной полярности, противоположной полярности приложенного напряжения на затворе. По существу, такая структура аналогична структуре обычного конденсатора, но с заменой одной из его металлических обкладок полупроводниковым элементом – каналом. Такая замена позволяет обеспечить управляемую проводимость канала. При этом, в отличие от ранее рассмотренного ПТ с p-n переходом в качестве затвора, в МДП-структурах возможны два режима управления проводимостью канала:

- режим обеднения канала при условии совпадения полярности приложенного напряжения на затворе с типом проводимости пп канала (р или n типа). В этом случае в канале индуцируются заряды полярности, противоположной основным канальным носителям, соответственно рекомбинационные процессы уменьшают концентрацию основных носителей заряда, т. е. обедняют канал и его проводимость уменьшается;

- режим обогащения канала при условии несовпадения полярности приложенного напряжения на затворе с типом проводимости пп канала. В этом случае канал обогащается основными носителями заряда и его проводимость увеличивается. Последнее обстоятельство позволяет использовать не только технологически встроенные, но и т. н. индуцированные каналы (см. литературу).

Из других особенностей МДП-структур отметим повышенное входное сопротивление за счет изоляции металлического затвора слоем диэлектрика, и, соответственно, усиление влияния входной емкости С_g. Поэтому при схемотехнических расчетах используется кроме вольтамперной (ВАХ) дополнительная вольтфарадная характеристика (ВФХ) вида С_g(U_g).

В настоящее время МДП-структуры и их модификации лежат в основе практически всех элементов цифровой электроники. Основные тенденции развития микроэлектроники включают повышение быстродействия, технологичности и надежности приборов, снижение потребляемой мощности и дальнейшую миниатюризацию с последующим переходом к наноэлектронике.

В заключение отметим, что данный конспект содержит краткое изложение физических основ микроэлектроники. Для более подробного изучения дисциплины необходимо воспользоваться рекомендуемой литературой.

«___»________2007г.

______________(Воробьев В.Л.)

Дата добавления: 2015-07-25