Лекция по теме «МОП-транзисторы с индуцированным каналом»

Полевые транзисторов с металлическим затвором, изолированным от канала диэлектриком делятся на две группы:

— .МОП-транзистор с индуцированным каналом

— МОП-транзисторы с встроенным каналом

Структура транзистора с инду­цированным каналом n-типа показана на рис. 25, а. На рис. 25, б приведено его условное графическое обозначение.

Конструкция:

1. Подложка (кристалл кремния p-типа) служит для создания на ней канала n-типа.
2. Имеется дополнительный вывод от подложки.
3. Металлический затвор отделен от полупроводника слоем диэлектрика.
4. Области стока и истока легированы сильнее, чем канал, и обозначены n+.
5. Между стоком и истоком включены два обратно смещенных p-n-перехода. Один p-n-переход образуется на границе между подложкой и стоком, а другой — между подложкой и истоком.

Принцип действия

1. Если на затворе напряжение равно нулю, сопротивление между стоком и истоком очень велико, ток стока ничтожно мал и транзистор находится в состоянии отсечки (канал отсут­ствует).

Рис. 25. Структура транзистора с инду­цированным каналом n-типа

2. Канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.
3. Если между затвором и истоком включен источник напряжения (рис. 26), то электрическое поле затвора выталкивает дырки из приповерх­ностного слоя подложки и притягивает в этот слой электроны. В результате вобласти подложки, примыкающей к диэлектрику, образуется проводящий канал n-типа. Такой канал называют индуцированным. С увеличениемположительного напряжения затвор-исток Uзи растет концентрация электронов вканале, следовательно, увеличивается его проводимость.

Рис. 26Включение источников напряжения в транзистор с инду­цированным каналом n-типа

4. Если между стоком и истоком приложено положительное напряжение, в индуцированном канале возникает ток стока. Его величина зависит как от напряжения Uзи, так и от напряжения сток-истокUси.
5. Напряжение затвора, при котором появляется заметный ток стока, называют пороговым и обозначают Uо. Пороговое напряжение МОП-транзистора с индуцированным кана­лом n-типа положительно. Его величина зависит от технологии изготовления и составляет для современных интегральных МОП-транзисторов 0.5—1.0 В.
6. Чем больше напряжение затвор-исток превышает пороговое, тем большее количество электронов втягивается в канал, увеличивая его проводимость. Если при этом напряжение сток-исток невелико, проводимость канала пропорциональна разности Uзи — Uо.
7. Если напряжение сток-исток превышает напряжение насыщенияUнас = Uзи — U0,

транзистор переходит в режим насыщения и рост тока прекращается.

Объясняется это тем, что напряжение между затвором и поверхностью канала уменьшается в направлении стока. Вблизи истока оно равно Uзи, а в окрестности стока — разности Uзи — Uси. Поэтому при увеличении напряжения Uси сечение канала уменьшается по направлению к стоку, а его сопротивление увеличивается. При значениях Uси, превышающих напряжение насыщения, канал перекрывается и ток стока остается практически неизменным. Очевидно, что каждому значению Uзи>Uо соответствует свое значение напряжения насыщения.

Семейство выходных характеристиктранзистора с индуцированным каналом показано на рис. 26. На выходных характеристиках можно выделить линейную (триодную) область, области насыщения и отсечки. Граница между линейной областью и областью насыщения показана на рис. 26 пунктиром.

Рис. 26 Семейство выходных х-к транзистора с индуцированным каналом

В режиме отсечкиUзи<Uо,         Iс= 0. Область отсечки расположена ниже ветви выходной характеристики, соответствующей напряжению

U зи = Uо.

В линейном (триодном) режимеUзи>Uо, а напряжение сток-исток не превышает напряжение насыщения

Выходная характеристика на участке, соответствующем линейному режиму, аппроксимируется выражением

Iс = b(Uзи – Uо)Uси,

Здесь b— удельная крутизна МОП-транзистора, которая зависит от подвижности носителей, удельной емкости затвор-канала, его длины и ширины.

Величинуb(Uзи – Uо) называют проводимостью канала;

Rси  = 1/ b(Uзи – Uо) – сопротивление канала.

Вывод: при малых напряжениях сток-исток МОП-транзистор эквивалентен линейному резистору, сопротивление которого регулируется напряжением затвора. Сопротивление эквивалентного резистора может изменяться от десятков Ом до десятков МОм.

Если Uзи<Uо, сопротивление бесконечно. С увеличением Uзи сопротивление уменьшается.

Режим насыщения МОП-транзистора с индуцированным каналом возникает, когда Uзи>Uо, а напряжение сток-исток превышает напряжение насыщения

Uси  ≥Uнас = Uзи — Uо.

В области насыщения ветви выходной характеристики расположены почти горизонтально, т. е. ток стока практически не зависит от напряжения Uси. Таким образом, в режиме насыщения канал МОП-транзистора имеет высокое сопротивление, а транзистор эквивалентен источнику тока, управляемому напряжением затвор-исток.

Применение:

1. Область насыщения является рабочей, если транзистор используется для усиления сигналов.
2. Области отсечки и линейная используются, когда транзистор работает в режиме ключа.

Передаточная характеристика МОП-транзистора с индуцированным каналом показана на рис. 27.

Рис. 27 Передаточная характеристика МОП-транзистора с индуцированным каналом

При нулевом напряжении на затворе ток стока равен нулю. Заметный ток появляется тогда, когда напряжение затвора превысит пороговое значение Uо.

Применение.

МОП-транзисторы с индуцированным каналом являются доминирующими элементами современных сверхбольших интегральных схем (СБИС). Технологии изготовления СБИС принято характеризовать минимальной длиной канала Lmin. Стандартными в настоящее время являются технологии, обеспечивающие Lmin 0.18 и 0.13 мкм.

—  1985 г. (процессор Intel 286), Lmin =  1.5;

— 2006 г(PentiumIII), Lmin =  0.065 мкм

Длину канала МОП-транзисторов становится удобно измерять не вмикронах, а в нанометрах (нм). По прогнозам специалистов к 2010 году L_minдостигнет величины 32 нм

В современной интегральной схемотехникешироко используют полевые транзисторы с каналами обоих типов проводимости. У р-канального МОП-транзистора подложка имеетэлектронную проводимость, а области стока и истока — дырочную. У таких транзисторов пороговое и рабочие напряжения имеют обратную полярность по сравнению с n-канальным:

Электронные схемы, в которых используется сочетание МОП-тран-зисторов с каналами n-и—p-типов, называют комплементарными (КМОП). Хотя технология изготовления КМОП-структур сложнее, чем цепей, содержащих только n- канальные транзисторы, наличие транзисторов с каналами разных типов предоставляет разработчикам интегральных схем дополнительные возможности. В настоящее время комплементарные структуры стали преобладающими как в цифровых, так и аналоговых интегральных схемах.

5. 4. МОП-транзисторы с встроенным каналом

Структура МОП-транзистора с встроенным каналом n-типа показана на рис. 28, а. На рис. 28, б приведено его условное графическое обозначение.

Конструкция (см. пп. 1-4 раздела 5.3.)

5. В качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния, выращиваемый на поверхности кремния n-типа.

Рис. 28Структура МОП-транзистора с встроенным каналом n-типа

Принцип действия:

1. При подаче отрицательного напряжения на затвор металлический электрод затвора заряжается отрицательно. У прилегающей к диэлектрику поверхности канала образуется обедненный слой. Ширина обедненного слоя зависит от напряжения Uзи. Такой режим работы МОП-транзистора, когда концентрация носителей в канале меньше равновесной, называютрежимом обеднения. При некоторой величине отрицательного напряжения Uзи каналполностью перекрывается обедненным слоем и ток прекращается. Это напряжение называютнапряжением отсечки МОП-транзистора с встроенным каналом и обозначают Uотс .
2. При нулевом напряжении на затворе(Uзи=0)ток МОП-транзистора с встроенным каналом имеет ненулевое значение, называемое начальным Iснач.
3. ЕслиUзи> 0, число электронов в канале увеличивается. Это приводит к увеличению проводимости канала. Такой режим работы транзистора с встроенным каналом, при котором концентрация носителей в канале больше равновесной, называют режимом обогащения.

Вывод:МОП-транзистор с встроенным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения. Выходные характеристики МОП-транзистора с встроенным каналомn-типа показаны на рис. 29.

Рис. 29 Выходные характеристики МОП-транзистора с встроенным каналом n-типа

Рис. 30 Передаточная характеристика МОП-транзистора с встроенным каналом