Полевой эффект и его применение (стр. 10 из 19)
3.4 МДП-транзисторы со встроенным каналом
Проводящий канал под затвором МДП-транзистора может быть создан в результате локальной диффузии или ионной имплантации соответствующих примесей в приповерхностный слой подложки. Он может возникнуть из-за перераспределения примесей вблизи поверхности полупроводниковой подложки в процессе термического окисления ее поверхности. Наконец проводящий канал может появиться под затвором из-за фиксированного заряда в подзатворном слое диоксида кремния, на поверхностных энергетических уровнях, а так же из-за контактной разности потенциалов между металлом затвора и полупроводником подложки.
Модуляция сопротивления проводящего канала МДП-транзистора может происходить при изменении напряжения на затворе как положительной, так и отрицательной полярности.
Рисунок 29. Выходные статические характеристики (а) и статическая характеристика передачи (б) МДП-транзистора со встроенным p-каналом[7].
Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителей заряда. Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом отражается и на смещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности (рисунок 29а).
Статические характеристики передачи (рисунок 29б) выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки UЗИ ОТС, т. е. напряжению между затвором и истоком МДП-транзистора со встроенным каналом, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения[7]
3.5 Параметры и свойства полевых транзисторов с изолированным затвором
Основным параметром полевого транзистора с изолированным затвором, отражающим его усилительные свойства, является крутизна характеристики. Крутизна характеристики передачи при низкой частоте, соответствующая крутой части выходных статических характеристик, может быть определена по формуле
S = dI/dUЗИ│UСИ=const= (μpsCЗКb/l )UСИ. (55)
Для пологой части выходных статических характеристик крутизна характеристики передачи находиться следующим образом:
S'= (μpsCЗКb/ l) (UЗИ- UЗИ ПОР). (56)
где μps эффективная подвижность дырок в канале, CЗК- удельная емкость между затвором и каналом, b- ширина канала, l – длина канала.
Для увеличения крутизны характеристики исходный полупроводник должен обладать большей подвижностью носителей заряда. Транзистор с n-каналом имеет большее значение крутизны характеристики по сравнению с транзистором с p-каналом, так как подвижность электронов превышает обычно подвижность дырок.
Крутизна характеристики будет больше в полевых транзисторах с меньшей длиной канала. Нижний предел длины канала ограничен технологией изготовления. Обычно для изготовления полевых транзисторов с изолированным затвором применяют планарную технологию и метод фотолитографии, разрешающая способность которого не позволяет получать длину канала меньше 3-4 мкм.
Крутизну характеристики можно увеличить путем увеличения удельной емкости между затвором и каналом. Эта емкость определяется относительной диэлектрической проницаемостью и толщиной слоя диэлектрика под затвором. Использование диэлектрика с большей относительной диэлектрической проницаемостью приведет к увеличению крутизны характеристики, но одновременно увеличатся и паразитные емкости между затвором и стоком, что отрицательно повлияет на частотные свойства полевого транзистора. Уменьшение толщины слоя диэлектрика под затвором может также привести к недопустимому уменьшению пробивного напряжения этого слоя между затвором и стоком.
Физическая эквивалентная схема полевого транзистора с изолированным затвором аналогична физической эквивалентной схеме полевого транзистора с управляющим переходом.
Быстродействие полевых транзисторов с изолированным затвором определяется временем перезаряда распределенной емкости между затвором и каналом. Постоянные времени процесса перезарядки этой емкости при малом внешнем сопротивлении в цепи затвора ограничивают рабочий диапазон частот полевого транзистора с изолированным затвором частотами 10 ГГц, т.е. принципиально такие транзисторы могут работать приблизительно до тех же частот, что и биполярные транзисторы. Основной особенностью полевых транзисторов является очень большое входное сопротивление. Активная составляющая этого сопротивления может достигать 1015 Ом. Поэтому полевые транзисторы применяют в схемах, имеющих также большие сопротивления[9].
Глава 4 Характеристики полевого транзистора
4.1 Статические характеристики
Такие статические параметры, как ток насыщения стока
при нулевом смещении на затворе и напряжение перекрытия канала Vнac позволяют получить значительную информацию о свойствах полевого транзистора. При расчете схем, в которых используются полевые транзисторы, именно эти две величины и являются самыми необходимыми. Что же касается остальных характеристик прибора (за исключением пробивного напряжения), то часто можно считать, что они обусловливают лишь эффекты второго порядка, и в большинстве случаев ими можно пренебречь.Однако в ряде случаев бывает необходимо знать и некоторые другие статические характеристики полевого транзистора: ток утечки затвора, напряжение пробоя и статическое сопротивление между стоком и истоком.
Статическое сопротивление между стоком и истоком rс откр (измеренное при Vзи=0, Vси=0 и очень малом напряжении сигнала в цепи сток—исток, прикладываемом для измерения результирующего тока сигнала) следует рассматривать потому, что этот параметр важен при работе транзистора в качестве прерывателя и в схемах АРУ. Однако, как будет показано ниже в данной главе, величину rс откр легко подсчитать, зная
и Vнac4.2 Величины Icнac0 и Vнac.
Семейство выходных характеристик полевого транзистора, приведенное на рис. 30, показывает зависимость тока IС от напряжения между стоком и истоком. Читатель сам может убедиться в том, что для режима насыщения можно считать ток стока приблизительно постоянным по величине. Особенности характеристики на участке пробоя будут рассмотрены ниже.
Рис. 30. Стоковые характеристики схемы с общим истокам.
Хотя ток
не очень сильно зависит от напряжения сток — исток, он, как показывает рис. 31, является ярко выраженной функцией температуры. Зависимость тока от температуры легко вывести из уравнения (1.17).Дифференцируя это уравнение по температуре Т, будем иметь
(2.1)Два члена в правой части этого уравнения можно привести к гораздо более простой форме. Первый член запишем в виде
, где 
есть по определению, температурный коэффициент подвижности носителей.
Рис. 31. Зависимость нормализованного тока стока при нулевом напряжении цепи затвор — исток от температуры окружающего воздуха. По длиной кривой можно также судить об изменении статического активного сопротивления цепи сток — исток в функции температуры.
Второй член можно упростить, разделив его на две части. Из уравнения (1.26)
(2,2)При дифференцировании уравнения (1.9) по температуре можно установить, что единственным членом, зависящим от температуры, будет нижний предел интегрирования (при температурах выше 200° К можно считать, что все атомы примеси, ионизованы, и, следовательно, р(у) не зависит от температуры). В результате дифференцирования имеем
(2.3)Если подставить эти соотношения в уравнение (2.1), то получится гораздо более простое выражение для
(2.4)Используя выведенный в гл. 1 критерий качества М2, можно еще более упростить предыдущее уравнение:
(2.5)Из уравнения (2.5) видно, что
равно нулю при условии, что 
(2.6)Это очень важный и полезный результат. Теперь остается только определить dm/dT и dVнac/dT.
Кривые зависимости подвижности от температуры приводятся в нескольких источниках, наиболее известным из которых является [2.1]. Приведенные в этой книге кривые зависимости подвижности носителей в кремнии от температуры говорят о том, что в практически интересном диапазоне температур с довольно хорошим приближением можно считать