Передаточные вольт-амперные характеристики МОП транзистора

МОП транзистор с индуцированным каналом

Структура МОП транзистора

S – sourse – исток,                 D – drain – сток,

G – gate – затвор,                  B – bulk – подложка,

d – толщина подзатворного диэлектрика.

1.  Объяснить выходные и передаточные характеристики МОП транзисторов с n- и p- каналом.

(а)                                           (б)               

Передаточные ВАХ МОП транзистора:

p-канального (а), и n-канального (б)

Для того, чтобы открылся транзистор, на затвор необходимо подать такой потенциал относительно потенциала подзатворной области, чтобы на поверхности произошла инверсия проводимости. При этом под затвором индуцируется область с соответствующим типом проводимости, образуется канал, соединяющий  области истока  и стока, и в стоковой цепи начинает протекать ток. Напряжение затвора, при котором происходит инверсия проводимости подзатворной области и начинает протекать ток, называют пороговым . Полярность напряжений, подаваемых на электроды МДП с индуцированными n и p каналами при их работе в усилительном режиме противоположна. Для n-канального транзистора на затвор подается плюс относительно истока, на p- канальный транзистор минус. За сток принимается тот электрод, к кoторому дрейфуют основные носители, т.е. в p- канальном транзисторе сток должен быть отрицательным относительно истока, а в n- канальном-положительным.

При увеличении положительного напряжения на затворе  ток стока n - канального транзистора возрастает, в p – канальном наоборот, ток растет с увеличением отрицательного напряжения затвора.

2. Что называется потенциалом инверсии на поверхности полупроводника?

Потенциалом инверсии на поверхности полупроводника φ_i называется поверхностный потенциал, соответствующий переходу в режим сильной инверсии. Для р – канального транзистора приповерхностная концентрация дырок становится равной равновесной концентрации электронов в глубине полупроводника или,что то же самое, концентрации доноров в подложке, для n-канального - концентрация электронов на поверхности равна концентрации акцепторов в глубине подложки.

       где   NA – концентрация акцепторов в подложке, ni– собственная концентрация электронов в кремнии. для p –канала определяется аналогично через в подложке, но имеет отрицательный знак.

3. От чего зависит пороговое напряжение МОП транзистора?

Пороговое напряжение Un – напряжение на затворе, при котором происходит инверсия поздатворной проводимости и появляется ток стока.

Пороговое напряжение состоит из трех составляющих: напряжения плоских зон , потенциала инверсии   и напряжения, создаваемого зарядом подложки , .

4. Что называется удельной крутизной МОП транзистора?

Без учета влияния подложки передаточные ВАХ, рис.1 и 2, приблизительно описываются квадратичными зависимостями тока стока от напряжения на затворе , для р-канального транзистора то же самое, только знаки напряжений , и тока  отрицательны.

Крутизной транзистора называется отношение приращений тока стока к вызвавшему его изменению напряжения на затворе:

Наклон зависимости крутизны от напряжения на затворе, величина

и есть удельная крутизна ,т. е. крутизна при 

Таким образом, удельная крутизна уже не зависит от напряжений на электродах и определяется только размерами транзистора B и L, толщиной диэлектрика под затвором d и подвижностью носителей в канале. 

5. Влияние подложки на ВАХ транзистора.

Обычно МОП транзисторы работают без смещения подложки, т. е. исток транзистора соединяют с подложкой. Если же по каким-то причинам на исток попадает положительное напряжение , например при последоватнельном соединении транзисторов, то p-n-переход исток-подложка будет работать как дополнительный затвор в виде обратно смещенного p-n-перехода. Так называемый линейный коэффициент влияния подложки

показывает, во сколько раз напряжение на подложке слабее влияет на ток стока, чем напряжение на затворе.

С учетом влияния подложки выражение для тока стока в пологой области приобретает вид:

Напряжение на подложке относительно истока уменьшает ток стока, запирает канал транзистора со стороны подложки.

Удельная емкость подложки , где  толщина области обеднения в подложке. Чем больше концентрация NA в подложке, тем больше CB и больше величина  . При сильном легировании подложки величинаможет достигать или даже превышать единицу, обычно же         = 0.3 – 0.5.

6. Объяснить зависимость порога от толщины подзатворного диэлектрика.

С уменьшением толщины диэлектрика увеличивается напряженность поля, создаваемая напряжением затвора и, следовательно, увеличивается индуцированный затвором поверхностный заряд,.

С уменьшением толщины диэлектрика увеличивается емкость  затвора и уменьшаются величины  и  , поэтому уменьшается величина порогового напряжения.

7. Чем создается фиксированный в окисле заряд и как он влияет на величину порогового напряжения?

Фиксированный в окисле заряд с поверхностной концентрацией Nsсоздаётся  примесными ионизированными атомами в диэлектрике и свойствами границы раздела кремний-двуокись кремния. Этот заряд влияет на величину напряжения плоских зон

и соответственно на величину порогового напряжения. В системе  кремний-двуокись кремния фиксированный в окисле заряд имеет положительный знак.  Соответственно, чем больше Ns тем меньше величина порогового напряжения, это создает в производстве ИС нестабильность порогового напряжения от партии к партии.

8. Почему акцепторы подложки влияют на величину порогового напряжения?

В случае транзистора с подложкой p-типа концентрация акцепторов в подложке NА влияет на величины контактной разности потенциалов и  потенциала инверсии    ,а также величину заряда акцепторов в подложке  Суммарный поверхностный заряд зависит как от объемной концентрации акцепторов  NAтак и от напряжения на стоке и подложке, только при UD== 0 . Чем больше  концентрации акцепторов в подложке NA тем больше величина порогового напряжения.

9. От чего зависит граничное напряжение на стоке, при котором транзистор переходит из крутой области в пологую?

С увеличеним напряжения на стоке уменьшается разность потенциалов между затвором и каналом. Когда разность потенциалов между затвором и стоком станет равной пороговому напряжению, инверсия вблизи стока исчезает, канал перекрывется ОПЗ и заряд электронов в канале становится равным нулю. После некоторого напряжения нга стоке UD = UDSS дальнейшее увеличение напряжения на стоке не будет приводить к возрастанию тока стока, поскольку все приращение напряжения будет тратиться на перекрытие ОПЗ пристоковой области канала. Таким образом, при UD > UDSS  вольтамперная характеристика  перейдет из крутой области в пологую.

Выходные ВАХ МОП транзистора,

|Uзи3|>|Uзи2|>|Uзи1|

Граничное напряжение при котором ВАХ МОП транзистора переходит из крутой области в пологую описывается выражением , при Ub=0  .  Из этого выражения и рассмотренного ранее анализа порогового напряжения транзистора следует, что граничное напряжение зависит от тех же величин, что и пороговое напряжение, т. е. в основном от концентрации примеси в подложке и  толщины подзатворного окисла.