Свойства МДП-структуры (металл–диэлектрик–полупроводник). Типы и устройство полевых транзисторов, принцип их работы. Влияние типа канала на вольтамперные характеристики МДП-транзисторов. Эквивалентная схема, расчет и быстродействие МДП-транзистора.
Аннотация к работе
Среди многочисленных разновидностей полевых транзисторов, возможно, выделить два основных класса: полевые транзисторы с затвором в виде pn перехода и полевые транзисторы с затвором, изолированным от рабочего полупроводникового объема диэлектриком. Приборы этого класса часто так же называют МДП-транзисторами (от словосочетания металл-диэлектрик-полупроводник) и МОП транзисторами (от словосочетания металл-окисел - полупроводник), поскольку в качестве диэлектрика чаще всего используется окись кремния. Основной особенностью полевых транзисторов, по сравнению с биполярными, является их высокое входное сопротивление, которое может достигать 109 - 1010 Ом.По существу эта структура представляет плоский конденсатор одной из обкладок которого служит металл (затвор), второй полупроводник. Особенность такого МДП конденсатора по отношению к классическому МДМ конденсатору в том, что в объеме полупроводника заряд может быть связан с носителями разной физической природы и разной полярности: свободными электронами и дырками, заряженными положительно ионизованными донорами, заряженными отрицательно ионизованными акцепторами, а так же заряженными дефектами. В МДП-структуре в отличие от p-n перехода существует гетерограница разделяющая две среды с различной структурой это, например, граница, разделяющая полупроводник и его окисле или другой диэлектрик или полупроводник и воздух (вакуум). На свободной границе полупроводника имеется большое количество оборванных связей стремящихся захватить заряд из объема полупроводника, а так же связей вступивших в реакцию с сооседней средой и пассивированных этой средой, кроме того, на поверхности могут находиться посторонние примесные атомы и ионы. Таким образом, на свободной поверхности и гетеропереходе металл-диэлектрик уже в начальном состоянии может находиться некоторый заряд, который индуцирует равный ему по величине и противоположный по знаку заряд в объеме полупроводника [13].Полевые, или униполярные, транзисторы в качестве основного физического принципа используют эффект поля. 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.В полевых приборах со структурой МДП внешнее поле обусловлено приложенным напряжением на металлический электрод - затвор. 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. Ток, протекающий между истоком и стоком, обозначается IDS, ток в цепи «затвор - канал» - IG. Рисунок 1.5 - МДП-транзистор с индуцированным каналом в равновесных условиях: а) напряжение на затворе отсутствует VG = 0;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 VG = 0 канал между истоком и стоком отсутствует. Для формирования канала необходимо подать напряжение на затвор VG такого знака, чтобы на поверхности полупроводника сформировался инверсионный слой. Напряжение, поданное на сток VDS, вызывает движение электронов в инверсионном слое между истоком и стоком. В случае прямого смещения p-n-перехода «сток - подложка» в цепи стока будет течь дополнительно к току канала еще и большой ток прямосмещенногор-n-перехода, что затруднит регистрацию тока канала.Рассмотрим полевой транзистор со структурой МДП, конфигурация и зонная диаграмма которого приведены на рис. Получим вольт-амперную характеристику такого транзистора при следующих предположениях: 1. Подвижность электронов ?n постоянна по глубине и длине L инверсионного канала и не зависит от напряжения на затворе VGS и на стоке VDS. Электрическое поле Еу обусловлено напряжением между истоком и стоком VDS. Согласно (1.5), заряд на металлическом электроде Qm уравновешивается суммой зарядов свободных электронов Qn и ионизованных акцепторов QB в полупроводнике и встроенного заряда в окисле Qox.Как следует из уравнения (1.10), по мере роста напряжения исток-сток VDS в канале может наступить такой момент, когда произойдет смыкание канала, т. е. заряд электронов в канале в некоторой точке станет
План
Содержание
ВВЕДЕНИЕ 2
1 СВЕДЕНИЯ И ПОНЯТИЯ О МДП-ТРАНЗИСТОРАХ 4
1.1 Свойства МДП-структуры (металл-диэлектрик- -полупроводник). 4
1.2 Типы и устройство полевых транзисторов 7
1.3 Принцип работы МДП-транзистора 9
1.4 Выбор знаков напряжений в МДП-транзисторе 11
1.5 Характеристики МДП-транзистора в области плавного канала 14
1.6 Характеристики МДП-транзистора в области отсечки 19
1.7 Влияние типа канала на вольтамперные характеристики МДП-транзисторов 24
1.8 Эквивалентная схема и быстродействие МДП-транзистора 26
2 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК МДП-ТРАНЗИСТОРА НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ 29