Курсовая работа: Расчет и проектирование МДП-транзистора

На рис. 1.9 приведена схема расположения этих зарядов. Из определения геометрической емкости окисла С_ox следует, что полный заряд на металлической обкладке МДП-конденсатора Q_m равен:

Q_m =C_ox ·V_ox , (1.6)

где V_ox - падение напряжения на окисном слое, С_ox - удельная емкость подзатворного диэлектрика.

Поскольку падение напряжения в окисле равно V_ox , в полупроводнике равно поверхностному потенциалу ψs, а полное приложенное к затвору напряжение V_GS , то:

V_GS -Δφ_ms = Vox + ψs= Vox + ψs0+ V(y), (1.7)

где Δφ_ms - разность работ выхода металл - полупроводник, ψ_s0 - величина поверхностного потенциала в равновесных условиях, т. е. при напряжении стока V_DS = 0.

Из (1.5) - (1.7) следует:

Q_n =Q_m - Q_ox -Q_B = C_ox [V_GS -Δφ_ms -ψ_s0 + V(y)] - Q_ox - Q_B (1.8)

Поскольку в области сильной инверсии при значительном изменении напряжения на затворе V_GS величина поверхностного потенциала меняется слабо, будем в дальнейшем считать ее постоянной и равной потенциалу начала области сильной инверсии ψ_s0 = 2φ₀ . Поэтому будем также считать, что заряд акцепторов Q_B не зависит от поверхностного потенциала. Введем пороговое напряжение V_Т как напряжение на затворе V_GS , соответствующее открытию канала в равновесных условиях: V_t ≡V_gs (ψ_s = 2φ₀ , V_DS = 0).

При этом Q_n (V_DS = 0) = 0.

Из (1.8) следует, что [5]:

(1.9)

Тогда с учетом (6.8):

Q_n =C[V_GS -V_T -V(y)]. (1.10)

Подставляя (1.10) в (1.4), разделяя переменные и проведя интегрирование вдоль канала при изменении y от 0 до L, а V(y) от 0 до V_DS , получаем:

(1.11)

Уравнение (1.11) описывает вольт-амперную характеристику полевого транзистора в области плавного канала.

1.6 Характеристики МДП-транзистора в области отсечки

Как следует из уравнения (1.10), по мере роста напряжения исток-сток V_DS в канале может наступить такой момент, когда произойдет смыкание канала, т. е. заряд электронов в канале в некоторой точке станет равным нулю. Это соответствует условию:

V(y) = V_os -VT≡V^* _DS (1.12)

Поскольку максимальная величина напряжения V(y) реализуется на стоке, то смыкание канала, или отсечка, первоначально произойдет у стока. Напряжение стока V_DS , необходимое для смыкания канала, называется напряжением отсечки V^* _DS . Величина напряжения отсечки определяется соотношением (1.12). На рис. 1.10 показан канал, отсеченный у стока [5].

Рисунок 1.10 - Схема p-канального МДП-транзистора при напряжении на стоке, равном напряжению отсечки

С ростом напряжения стока V_DS точка канала, соответствующая условию отсечки (1.12), сдвигается от стока к истоку. В первом приближении при этом на участке плавного канала от истока до точки отсечки падает одинаковое напряжение V^* _DS = V_GS - V_T , не зависящее от напряжения исток-сток. Эффективная длина плавного канала L от истока до точки отсечки слабо отличается от истинной длины канала L и обычно ΔL = L-L«L. Это обуславливает в области отсечки в первом приближении ток стока I_DS , не зависящий от напряжения стока V_DS . На рис. 1.11 показана схема p-канального МДП-транзистора при напряжении на стоке, большем напряжения отсечки. Из этого же рисунка видно, как точка отсечки смещается от стока по мере роста напряжения на стоке.

Рисунок 1.11 - Схема p-канального МДП-транзистора при напряжении на стоке, большем напряжения отсечки

Подставив значение напряжения отсечки V^* _DS из (1.12) в (1.11) вместо значения напряжения стока V_DS , получаем для области отсечки выражение для тока стока:

(1.13)

Соотношение (1.13) представляет собой запись вольт-амперной характеристики МДП-транзистора в области отсечки. Зависимости тока стока I_DS от напряжения на затворе V_GS называются обычно переходными характеристиками, а зависимости тока стока I_DS от напряжения на стоке V_DS - проходными характеристиками транзистора. На рис. 1.12 приведены зависимости тока стока I_DS от напряжения на стоке V_DS для МДП-транзистора при различных напряжениях на затворе, рассчитанные по соотношениям (1.11) и (1.13) [6].