Курсовая работа: Расчет и проектирование МДП-транзистора

Электрод истока является общим и относительно его определяются величина и знак прикладываемого напряжения и протекающего тока. Рассмотрим на примере n-канального МДП-транзистора с индуцированным каналом, каким образом выбираются величина и знак напряжения на затворе, стоке и подложке, обеспечивающих работу МДП-транзистора в активном режиме.

Для МДП-транзистора с индуцированным n-каналом при нулевом напряжении на затворе V_G = 0 канал между истоком и стоком отсутствует. Для формирования канала необходимо подать напряжение на затвор V_G такого знака, чтобы на поверхности полупроводника сформировался инверсионный слой. Для n-канального транзистора (полупроводниковая подложкаp-типа) знак напряжения V_G в этом случае должен быть положительным. Напряжение на затворе V_G , при котором происходит формирование инверсионного канала, называется пороговым напряжением и обозначается V_T . Следовательно, величина напряжения на затворе V_G в активной области должна быть больше, чем значение порогового напряжения: 0 < V_T < V_G .

Напряжение, поданное на сток V_DS , вызывает движение электронов в инверсионном слое между истоком и стоком. С точки зрения транзисторного эффекта безразлично, в каком направлении в канале будут двигаться носители. Но в то же время напряжение V_DS , приложенное к стоку, - это напряжение, приложенное к стоковому n+-p-переходу. При положительном знаке V_DS > 0 это соответствует обратному смещению стокового n+-p-перехода, а при отрицательном знаке V_DS < 0 это соответствует прямому смещению p-n-перехода «сток - подложка». В случае прямого смещения p-n-перехода «сток - подложка» в цепи стока будет течь дополнительно к току канала еще и большой ток прямосмещенногоp-n-пе-рехода, что затруднит регистрацию тока канала.

В случае обратного смещения p-n-перехода «сток - подложка» паразитный ток будет составлять наноамперы и будет пренебрежимо мал. Таким образом, знак напряжения на стоке V_DS нужно выбирать так, чтобы стоковый переход был смещен в обратном направлении. Для n-канальных транзисторов это условие соответствует V_DS > 0, а для p-канальных транзисторов V_DS < 0. На рис. 1.6 показана схема p-канального МДП-транзистора в области плавного канала [6].

Рисунок 1.6 - Схема p-канального МДП-транзистора в области плавного канала.

Напряжение, подаваемое на подложку V_SS , управляет током в канале через изменение заряда в области обеднения Q_B , или, что то же самое, через изменение порогового напряжения V_T . Для эффективного увеличения ширины области обеднения, следовательно, заряда в области обеднения необходимо подавать обратное смещение на индуцированный электронно-дырочный переход «канал - подложка». Для n-канальных транзисторов это условие соответствует отрицательному знаку напряжения на подложке V_SS < 0, а для p-канальных транзисторов - положительному знаку напряжения V_SS > 0. На рис. 1.7 приведена схема p-канального МДП-транзистора в области плавного канала при наличии управляющего напряжения на подложке [5].

Рисунок 1.7 - Схема p-канального МДП-транзистора в области плавного канала при наличии напряжения на подложке.

1.5 Характеристики МДП-транзистора в области плавного канала

Рассмотрим полевой транзистор со структурой МДП, конфигурация и зонная диаграмма которого приведены на рис. 1.8. Координата z направлена вглубь полупроводника, y - вдоль по длине канала и х - по ширине канала.

Получим вольт-амперную характеристику такого транзистора при следующих предположениях:

1. Токи через р-n-переходы истока, стока и подзатворный диэлектрик равны нулю.

2. Подвижность электронов μ_n постоянна по глубине и длине L инверсионного канала и не зависит от напряжения на затворе V_GS и на стоке V_DS .

3. Канал плавный, то есть в области канала нормальная составляющая электрического поля E_z существенно больше тангенциальной Е_у [15].

Рисунок 1.8 - Схема МДП-транзистора для расчета токов в области плавного канала и зонная диаграмма в равновесных условиях

Ток в канале МДП-транзистора, изготовленного на подложке р-типа, обусловлен свободными электронами, концентрация которых n(z). Электрическое поле Е_у обусловлено напряжением между истоком и стоком V_DS . Согласно закону Ома, плотность тока [5].:

(1.2)

где q - заряд электрона, μ_n - подвижность электронов в канале, V- падение напряжения от истока до точки канала с координатами (x, y, z).

Проинтегрируем (1.2) по ширине x и глубине z канала. Тогда интеграл в левой части (1.2) дает нам полный ток канала I_DS , а для правой части получим:

(1.3)

Величина есть полный заряд электронов в канале на единицу площади:

Тогда:

(1.4)

Найдем величину заряда электронов Q_n . Для этого запишем уравнение электронейтральности для зарядов в МДП-транзисторе на единицу площади в виде [3]:

Q_m = Q_ox + Q_n + Q_B . (1.5)

Согласно (1.5), заряд на металлическом электроде Q_m уравновешивается суммой зарядов свободных электронов Q_n и ионизованных акцепторов Q_B в полупроводнике и встроенного заряда в окисле Q_ox . [10].