Курсовая работа: Расчет и проектирование МДП-транзистора

2 - собственный полупроводник,

3 - полупроводник p типа.

Если индуцированный внешним полем заряд на полупроводниковой обкладке превышает изменение заряда на поверхностных состояниях, то в приповерхностной области полупроводника происходит изменение концентрации свободных носителей заряда, что сопровождается изменением поверхностной проводимости (см. рис. 1.2) и соответственно протекающего вдоль поверхности тока, в случае если имеется направленное вдоль поверхности поле, как это показано на вставке рис. 1.2 [5].

В той приповерхностной полупроводниковой области, где существует электрическое поле, имеется обедненная носителями область пространственного заряда, аналогичная по свойствам области ОПЗ pn перехода, работающая как диэлектрик. При изменении потенциала на металлической (затворе) обкладке МДП конденсатора будет изменяться заряд ОПЗ и соответственно ширина обедненной области. При этом будет изменяться емкость МДП-структуры. Зависимости емкости МДП-структур от напряжения показаны на рис. 1.3.

Рисунок 1.3 - Изменение емкости МДП-структур от напряжения на затворе:

1 - полупроводник n типа,

2 - собственный полупроводник,

3 - полупроводник p типа.

Емкость МДП-структуры можно рассматривать как состоящую из двух последовательно включенных емкостей: емкости диэлектрика - С_д и емкости слоя пространственного заряда в полупроводнике С_пп .

(1.1)

Если С_д >> С_пп , то можно с хорошим приближение считать, что емкость структуры определяется емкость ОПЗ, т.е. С = С_пп .

Если С_пп >> С_д , то приближенно можно считать, что С = С_д , поэтому максимальное значение емкости на рис. 1.3 ограничено линией С = С_д .

Следует обратить внимание на то, что на всех кривых рис. 1.2 и рис. 1.3 имеются точки минимума. Это точки соответствуют случаю минимальной поверхностной проводимости, которая имеет место, когда на поверхности концентрации электронов и дырок близки к собственной и равны друг другу, тогда увеличение потенциала затвора относительно значения соответствующего точке минимума должно обогащать поверхность дырками, а уменьшение потенциала относительно потенциала точки минимума должно обогащать поверхность дырками. При этом соответственно с разных сторон от точки минимума должен наблюдаться разный тип проводимости в приповерхностной области [4].

1.2 Типы и устройство полевых транзисторов

Полевые, или униполярные, транзисторы в качестве основного физического принципа используют эффект поля. В отличие от биполярных транзисторов, у которых оба типа носителей, как основные, так и неосновные, являются ответственными за транзисторный эффект, в полевых транзисторах для реализации транзисторного эффекта применятся только один тип носителей. По этой причине полевые транзисторы называют униполярными. В зависимости от условий реализации эффекта поля полевые транзисторы делятся на два класса: полевые транзисторы с изолированным затвором и полевые транзисторы с затвором в виде p-n-перехода [8].

К полевым транзисторам с изолированным затвором относятся МДП-транзисторы, МНОП-элементы памяти, МДП-транзисторы с плавающим затвором, приборы с зарядовой связью (ПЗС-структуры), МДП-фотоприемники. К полевым транзисторам с затвором в виде p-n-перехода относятся транзисторы с затвором в виде барьера Шоттки, с затвором в виде обычного p-n-перехода и с затвором в виде гетероперехода. Отметим, что в качестве дискретных элементов разработаны и имеют применение МДП-транзисторы и транзисторы с затвором в виде обычного p-n-перехода. Остальные типы полевых транзисторов используются только в интегральном исполнении как фрагменты интегральных схем.

Рассмотрим на примере МДП-транзистора основные элементы структуры полевых транзисторов. На рис. 1.4 приведена топология МДП-транзистора [5].

Рисунок 1.4 - Топология и основные элементы МДП-транзистора.

Термин «МДП-транзистор» используется для обозначения полевых транзисторов, в которых управляющий электрод - затвор отделен от активной области полевого транзистора диэлектрической прослойкой – изолятором. Основным элементом для этих транзисторов является структура металл–диэлектрик–полупроводник. По этой причине в названии транзистора используется аббревиатура МДП. Монокристаллический полупроводник n- или p-типа, на котором изготавливается МДП-транзистор, получил название подложки. Две сильнолегированные области противоположного с подложкой типа проводимости получили названия истоки сток. Область полупроводниковой подложки, находящаяся под затвором между истоком и стоком, называется каналом. Диэлектрический слой, расположенный между затвором и каналом, получил название подзатворного диэлектрика. В качестве полупроводниковой подложки в большинстве МДП-транзисторов используется GaAsи подзатворный диэлектрик. По этой причине как синоним для МДП-транзисторов применяется термин «МОП-транзистор». Канал в МДП-транзисторах может быть как индуцированным, так и встроенным [7].

1.3 Принцип работы МДП-транзистора

Физической основой работы полевого транзистора со структурой металл–диэлектрик–полупроводник 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 могут быть 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 квазинейтрального объема подложки областью обеднения [11].

Полевой транзистор относится к типу приборов, управляемых напряжением. Обычно электрод истока является общим, и относительно его определяются величина и знак прикладываемого напряжения и протекающего тока. Напряжение на затворе МДП-транзистора обозначается значком V_G , на стоке транзистора - V_DS , на подложке - V_SS . Ток, протекающий между истоком и стоком, обозначается I_DS , ток в цепи «затвор – канал» – I_G . Для полевых транзисторов с изолированным затвором ток затвора пренебрежимо мал, составляет величины пикоампер. По этой причине мощность, расходуемая на реализацию транзисторного эффекта в первичной цепи, практически нулевая [5].

Рисунок 1.5 - МДП-транзистор с индуцированным каналом в равновесных условиях:

а) напряжение на затворе отсутствует V_G = 0;

б) напряжение на затворе больше порогового напряжения V_G > V_T

На рис. 1.5 показана схема МДП-транзистора с индуцированным p-каналом в равновесных условиях (V_DS = 0) при нулевом напряжении на затворе и при напряжении на затворе выше порогового напряжения.

В области инверсии концентрация неосновных носителей заряда в инверсионном канале выше, чем концентрация основных носителей в объеме полупроводника. Напряжение на затворе V_G , при котором происходит формирование инверсионного канала, называется пороговым напряжением и обозначается V_T . Изменяя величину напряжения на затворе V_G в области выше порогового напряжения, можно менять концентрацию свободных носителей в инверсионном канале и тем самым модулировать сопротивление канала R_i . Источник напряжения в стоковой цепи V_DS вызовет изменяющийся в соответствии с изменением сопротивления канала R_i ток стока I_DS , и тем самым будет реализован транзисторный эффект. Напомним, что транзисторный эффект заключается в изменении тока или напряжения во вторичной цепи, вызванном изменениями тока или напряжения в первичной цепи. Отметим, что ток в цепи «исток - канал - сток» I_DS обусловлен только одним типом носителей, то есть действительно МДП-транзистор является униполярным прибором. Поскольку области истока и стока сильно легированы, то они не оказывают влияния на ток канала, а только обеспечивают контакт к области канала [8].