Курсовая работа: Моделирование работы МДП-транзистора в системе MathCad

- надежность полевых транзисторов выше надежности биполярных.

1.2 Принцип действия полевого транзистора с индуцированным каналом

Рассмотрим работу МДП-транзистора с индуцированным каналом p-типа.

Физической основой работы полевого транзистора со структурой металл – диэлектрик – полупроводник (МДП) является эффект поля. Эффект поля состоит в том, что под действием внешнего электрического поля изменяется концентрация свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника.

В полевых приборах со структурой МДП внешнее поле обусловлено приложенным напряжением на металлический электрод – затвор. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения присутствуют четыре состояния области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника – обогащение, обеднение, слабая и сильная инверсия.

Полевые транзисторы в активном режиме могут работать только в области слабой или сильной инверсии, т.е. в том случае, когда инверсионный канал между истоком и стоком отделен от объема подложки слоем обеднения. На рисунке 1 приведена топология МДП - транзистора, где этот факт наглядно виден.

Рисунок 1 – Полевой транзистор со структурой металл – диэлектрик – полупроводник

В отсутствии напряжения, приложенного к структуре ,p-n-переходы, образованные областями стока, истока и подложкой, смещены в обратном направлении. В подложке на границе раздела между полупроводником и диэлектриком образуется отрицательны заряд подвижных электронов, который уравновешивает положительный заряд Q_пов поверхностных состояний. Наличие избыточных электронов у поверхности раздела приводит к искривлению энергетических зон (рисунок 2)

Рисунок 2 – Зонная диаграмма МДП-транзистора в отсутствии внешних электрических полей

Дополнительное искривление зон и накопление отрицательного заряда подвижных электронов у поверхности возникает за счет разности работ выхода для диэлектрика и полупроводника. Чаще всего в качестве диэлектрика используется двуокись кремния SiO₂ . Работа выхода из SiO₂ меньше, чем из кремния, поэтому между диэлектриком и полупроводником возникает контактная разность потенциалов ϕ_МДП , величина которой составляет приблизительно 0,4 В.

Таким образом, в исходном состоянии суммарный отрицательный заряд электронов у поверхности полупроводника обусловлен зарядом поверхностных состояний и разностью работ выхода из полупроводника и диэлектрика. Из условия электронейтральности следует, что суммарный положительный заряд в диэлектрике равен отрицательному заряду подвижных электронов у поверхности полупроводника. Поэтому электрическое поле сосредоточено на границе раздела полупроводника и диэлектрика.

При подаче отрицательного напряжения на затвор, возникающее электрическое поле уменьшает поле, созданное контактной разностью потенциалов и обусловленное Q_пов и приводит к уменьшению заряда подвижных электронов у поверхности. Под действием электрического поля электроны перемещаются вглубь полупроводника. С увеличением отрицательного напряжения на затворе заряд подвижных электронов у поверхности уменьшается и поверхностный слой полупроводника стремится изменить свой тип проводимости с электронного на дырочный. При некотором напряжении на затворе поверхностный слой имеет собственную проводимость. В этом случае уровень Ферми совпадает с серединой запрещенной зоны E_F =E_i (рисунок 3).

Дальнейшее увеличение отрицательного напряжения на затворе приводит к тому, что электроны, связанные с атомами донорной примеси в подложке, отталкиваются в глубь полупроводника, оголяя положительно заряженные ионизированные атомы донорной примеси.

Рисунок 3 – Энергетическая диаграммы МДП-транзистора с E_F =E_i

Неподвижные ионизированные атомы образуют слой объемного заряда, компенсирующийотрицательный заряд на затворе. Толщина слоя объемного заряда с ростом отрицательного напряжения на затворе изменяется незначительно, т.к. за счет увеличения напряженности электрического поля подвижные дырки перемещаются к поверхности и образуют инверсионный слой дырочной проводимости.

Таким образом на поверхности полупроводника индуцируется канал, проводимость которого будет увеличиваться с ростом отрицательного напряжения на затворе.

Под действием разности потенциалов между стоком и истоком в канале транзистора протекает ток стока I_с . При малых отрицательных напряжениях на стоке U_С ток I_с прямо пропорционален приложенному напряжению. Рост U_C , с одной стороны, увеличивает ток стока, т.к. увеличивается электрическое поле вдоль канала, с другой стороны, U_C компенсирует действие напряжения, приложенного к затвору, что приводит к уменьшению толщины канала около стока и его проводимости. Изменение проводимости канала около стока является причиной отклонения зависимости I_C (U_C ) от линейного закона.

Толщина слоя объемного заряда максимальна около стока и минимальна у истока. Дальнейшее увеличение U_C приводит к насыщению тока стока. Когда напряжение на стоке станет равным

, (1.1)

канал в районе стока оказывается перекрытым слоем объемного заряда. Падение напряжения на части канала, свободной от объемного заряда, стабилизируется, а ток I_С насыщается. Длина канала уменьшается на величину Δl (рисунок 4), что уменьшает омическое сопротивление части канала, свободной от объемного заряда, а так как падение напряжения остается равным U_{С ГР} , то ток стока несколько возрастает. Изменение длины канала с ростом U_С является причиной конечной величины выходного сопротивления транзистора. Граничное напряжение U_{С ГР} делит вольтамперные характеристики полевого транзистора на две области: область крутой зависимости тока стока от напряжения на стоке и область пологой зависимости тока от напряжения на стоке.

Крутая и пологая области ВАХ являются рабочими областями МДП-транзистора.

Рисунок 4 – Уменьшение длины канала МДП-транзистора под действием напряжения на стоке

2. Моделирование работы МДП-транзистора

В данной работе будет построена компьютерная модель зависимости геометрии индуцированного канала МДП-транзистора от напряжения приложенного к стоку. Данная модель является полезной при изучении свойств полевого транзистора, т.к. пространственные характеристики канала определяют вид ВАХ прибора.

2.1 Теоретическое обоснование компьютерной модели