Общие принципы управления проводимостью канала в полевых транзисторах

Статические вольт-амперные характеристики Структурные схемы основных типов ПТ изображены на рис. 6.2, а, 6.4, а и 6.5, а. В МДП-транзисторе с изолированным затвором (см. рис. 6.2, а) канал образуется или за счет подачи.

Рис. 6.4.

Рис. 6.5.

на затвор напряжения (/₃ > V_3пор, или же формируется технологически. Транзистор с затвором на основе контакта металл — полупроводник, или контакта Шоттки (ПТШ), показан на рис. 6.4, а, где приняты следующие обозначения: 1 — подложка, 2 — область истока, 3 — исток, 4 — затвор, 5 — обедненный слой, 6 — канал, 7 — сток, 8 — область стока. Транзистор с управляющим р—л переходом (ПТУП) показан на рис. 6.5, а, где цифры имеют следующие значения: 1 — подложка, 2— эпитаксиальный слой, в котором формируется канал, 3 — область истока, 4 — область затвора, 5 — область стока, 6 — канал. Выбранные структуры транзисторов все имеют канал л-типа. Рассматриваемые физические процессы не зависят от типа канала.

Во всех ПТ с конкретной структурой проводимостью канала можно управлять изменением напряжения на затворе, на стоке и на подложке. Последний случай реализуется обычно в МДПтранзисторах. Мы будем рассматривать схему включения с общим истоком, для которой подложка может быть либо соединена с истоком, либо подключена к независимому источнику. Далее рассмотрим случай, когда исток и подложка соединены, т. е. находятся под одним и тем же потенциалом.

Если на затвор любого типа транзистора подать напряжение U₃, то для каждого значения U₃ формируется исходная проводимость (исходное сопротивление) канала, определяемая концентрацией свободных носителей в нем и его размерами (структурой). Эта исходная проводимость при заданных напряжениях на затворе для каждого типа транзистора определяет токи через канал при изменении потенциалов между стоком и истоком в некоторых пределах и_си < ^сИнас* Рассмотрим эти процессы более подробно.

Изучим сначала влияние изменения напряжения ?/_зи при U_cli ^{= cons}t ^на работу ПТШ и ПТУП. В транзисторах этих типов электрический переход должен быть смещен только в обратном направлении, поэтому полярность напряжения на затворах для л канала является отрицательной, т. е. (У_зи < 0, а для р канала С/_зи > 0. В МДП-транзисторах (МДПТ) полярность напряжений обратная, т. е. для л-канала ?/_зи > 0, а для р канала ?/_зи < 0. Управление проводимостью осуществляется за счет изменения толщины обедненного слоя (переходов), а следовательно, и поперечного сечения канала. Чем больше напряжение на затворе по абсолютной величине при ?/_си = const, тем шире переход и уже канал (см. рис. 6.4, б, в и 6.6, б, в). Форма обедненного слоя и, следовательно, канала для ПТУП и ПТШ подобны. Следовательно, с увеличением U₃ при постоянном напряжении между стоком и истоком (U_cll = const) ток стока будет уменьшаться (см. рис. 6.4, е и 6.5, в) из-за уменьшения сечения канала.

В МДП-транзисторах изменение напряжения U_3li при сформированном канале изменяет сечение, а также проводимость канала. Например, в МДПТ с л каналом при увеличении С/_зи ток стока будет возрастать (см. рис. 6.6, е).

Перейдем теперь к рассмотрению влияния С/_си при С/_зи = const.

Если изменять напряжение на стоке на растущем участке ВАХ, где 1/_си < и_{си нас}, то в этой области ток стока как функция и_си изменяется почти линейно, при этом стоковые характеристики /_с = f (U_cll) идут веерообразно для различных значений ?/_зи (см. рис. 6.4, д; 6.5, б; 6.6, д). Такая «веерообразность» характеристик объясняется тем, что канал представляет собой по;

Рис. 6.6.

лупроводниковое сопротивление, которое, как показано ранее, различно для разных С/_зи. Рост же тока стока при фиксированном 1/_зи на рассматриваемом участке связан с тем, что к каналу, представляющему полупроводниковое сопротивление, прикладывается большее напряжение, т. е. все происходит согласно закону Ома.

Однако при приближении напряжения на стоке к ?/_СИнас ситуация изменяется. При ?/_(:и ~ Е/_СИнас происходит перекрытие канала обедненной областью р—я перехода, которое называют отсечкой канала. Во всех типах транзисторов это перекрытие осу;

ществляется со стороны области стока. В этой области обратное напряжение на электрическом переходе максимально и, следовательно, ширина обедненной области наибольшая. Поскольку расширение перехода происходит в стороны у канала и подложки, то при U_cli = U_{cvl нас} канал перекрывается.

Электрофизические параметры электрических переходов различаются для разных типов ПТ, поэтому и значения напряжения отсечки будут отличаться. В ПТШ и ПТУП отсечка канала происходит на границе области затвора и стока (см. рис. 6.4, в, г, точка 2), в то время как в МДП-транзисторах перекрытие канала осуществляется за счет расширения обедненной области перехода между стоком и подложкой (см. рис. 6.6, в, г). Необходимо отметить, что, в отличие от ПТУП и ПТШ, в МДП-транзисторах свойствами сформированного канала можно управлять изменением напряжения на стоке и/или на подложке (см. ВАХ на рис. 6.7), т. е. можно сказать, что напряжение на затворе формирует канал с первоначально заданными характеристиками, а потом управление проводимостью осуществляется за счет изменения напряжения р—п-перехода сток—подложка.

Сказанное иллюстрируют соответствующие рисунки: на рис. 6.4, б, в, г для ПТШ и на рис. 6.6, а, б, в, г для МДП показаны форма канала и структура перехода на границах стока, канала и истока с подложкой для МДП-транзистора при различных значениях и_си и С/_зн = const. При дальнейшем (после Uси нас) увеличении абсолютного значения напряжения на стоковом переходе граница области отсечки канала во всех типах транзисторов будет продвигаться в направлении области истока (см. рис. 6.4, г; 6.6, г). Следовательно, между каналом и стоком размещается все большая величина обедненной области ДL (см. рис. 6.4, г; 6.6, г), что эквивалентно увеличению сопротивления, включенного между каналом и стоком. Увеличение сопротивления этой обедненной области будет примерно пропорционально увеличению напряжения ?/_си. В результате при U_CM > ?/_{си ||ас} ток стока изменяется незначительно и стоковые ВАХ /_с = f (U_CM) идут под небольшим углом к оси абсцисс (см. рис. 6.4, д для ПТШ, 6.5, б для ПТУП и 6.6, д для МДП-транзисторов).

На рис. 6.4, д и 6.5, д дано семейство стоковых (выходных) характеристик соответственно для ПТШ и ПТУП. При увеличении |t/_3H| проводимость канала падает и характеристики смещаются вниз; в МДП-транзисторах ситуация обратная: с ростом |?/_яи| увеличивается проводимость канала, что ведет к увеличению тока, и характеристики смещаются вверх (см. рис. 6.6, д_у где значения напряжения в скобках относятся к встроенному каналу).

Описанные процессы хорошо отражают свойства ПТ с так называемым длинным каналом. Канал называется длинным, если его продольные размеры (Ь) существенно больше поперечных. Если же отношение длины канала к его толщине не слишком велико, то канал считается коротким.

Реальные характеристики полевых транзисторов с короткими каналами в области насыщения могут заметно отличаться от характеристик с длинным каналом. Одной из главных причин такого отличия является зависимость дрейфовой скорости и подвижности носителей тока от величины электрического ПОЛЯ. Дрейфовая скорость при больших напряжениях поля насыщается. В кремнии дрейфовая скорость монотонно увеличивается при возрастании электрического поля и достигает скорости насыщения (и_нас ~ 10⁷ см/с) при напряженностях поля, больших, чем 5*10⁴В/см. В ОаАэ и 1пР зависимость скорости дрейфа от напряженности поля V = /(?) немонотонна. Дрейфовая скорость сначала достигает максимума (и_нас * 2 • 10⁷ см/с) при полях ? ~ (1…2)10⁴ В/см и затем уменьшается до ~ (6…8)10^б см/с при.

(5…6)10⁴ В/см, оставаясь далее почти постоянной.

Рассмотрим особенность физических процессов и поведение стоковых ВАХ в области насыщения для кремниевого короткоканального ПТШ. Описываемые ниже процессы характерны и для других типов полевых транзисторов. Для объяснения процессов будем пользоваться рис. 6.4, б, считаем, что в данном случае ПТШ имеет короткий канал.

При малых напряжениях на стоке канал, как уже отмечалось ранее, подобен резистору. При больших напряжениях темп увеличения дрейфовой скорости электронов с ростом напряжения уменьшается и ВАХ канала, т. е. кривая /_с = /(?/_си) отклоняется вниз от начальной прямой. При еще больших напряжениях и_си ~ С/_си нас дрейфовая скорость носителей достигает скорости насыщения, что вызывает насыщение тока стока.

Обедненная область под затвором в ПТШ и ПТУП (см. рис. 6.4, г) действует как слой изолятора, подобно подзатворному диэлектрику в МДП-транзисторах, что сокращает высокопроводящую область канала, через которую протекает стоковый ток. Ширина обедненного слоя определяется величиной приложенных напряжений. Потенциал вдоль канала увеличивается от нуля на истоке до Г/_си на стоке. Следовательно, значение локального обратного смещения перехода затвор—канал и локальная ширина обедненного слоя также увеличиваются по мере приближения к стоку (ситуация подобна рис. 6.4, б). В любом сечении канала должен выполняться закон сохранения полного тока. Поэтому результирующее уменьшение ширины проводящего канала должно быть скомпенсировано соответствующим увеличением продольного электрического поля и дрейфовой скорости электронов, чтобы величина полного тока оставалась неизменной по длине канала. При ?/_си = С/_си нис напряженность поля в канале со стороны стока достигает критического значения, а дрейфовая скорость электронов — скорости насыщения, ширина канала становится минимальной, и ток транзистора начинает насыщаться.

С увеличением напряжения стока ((У_си > С/_си нас) обедненная область расширяется к стоку, а сечение канала S, проходящее через координату х₁ (см. рис. 6.4, б), где электроны достигают скорости насыщения, смещается в сторону истока, т. е. в противоположном направлении. При этом, в отличие от длинного канала, полного перекрытия короткого канала не происходит. Падение напряжения между истоком и сечением S, уменьшается, и, в соответствии с законом сохранения полного тока, увеличивается ток инжекции электронов из электронейтральной части канала со стороны истока в область, где происходит насыщение дрейфовой скорости. В результате этого ВАХ транзистора на участке насыщения имеет положительный наклон, т. е. происходит возрастание тока /_с с увеличением напряжения С/_си в области насыщения.

По мере удаления от сечения Sj к стоку потенциал вдоль канала возрастает, размер, занятый обедненной областью, увеличивается, а проводящая область канала сужается. Поскольку в этой области скорость электронов р_др = р_нас = const, т. е. не зависит уже от напряженности электрического поля, то для компенсации этого сужения канала и обеспечения сохранения полного тока концентрация электронов в рассматриваемой области увеличивается и становится больше концентрации доноров, т. е. эта часть канала оказывается отрицательно заряженной. В не котором сечении в области стока, где сечение канала S₂, проходящее через х₂, равно Sj, концентрация электронов равна концентрации доноров. Указанный отрицательный заряд области канала компенсируется положительно заряженным слоем, расположенным за слоем S₂ ближе к стоку, где наблюдается некоторый дефицит электронов. Следовательно, часть напряжения стока U_Cii, превышающая U_{CM 11ас}, падает на образовавшемся дипольном слое, который расширяется в стоковой области канала при дальнейшем росте ?/_си. Падение напряжения на дипольном слое приводит к большему отклонению ВАХ в области насыщения к оси абсцисс.

Если увеличить отрицательное напряжение на затворе (абсолютную величину |С7_ЗИ|), то ширина обедненной области возрастает и происходит сужение канала, что увеличивает сопротивление на линейном участке стоковой характеристики /_с = = f (U_c[i) (при малых ?/_си) транзистора. При этом уменьшается напряжение U_{rM нпс}, при котором в наиболее узкой части канала достигается критическое поле, соответствующее насыщению скорости. В силу сказанного характеристика смещается вниз, а участок насыщения характеристики транзистора с увеличением |С/_ЗИ| начинается при меньших напряжениях на стоке ?/_си (см. рис. 6.5, б и 6.6, д).

На рис. 6.5, б переход в режиме насыщения обозначен буквой «Н», а на рис. 6.6, д соответствующая ВАХ дана штриховой кривой. В скобках здесь указаны значения напряжения на затворе, относящиеся к МДП-транзисторам со встроенным каналом, где реализуется режим обеднения канала (малые токи /_с, и_ш < О) и обогащение канала носителями, втянутыми в существующий канал за счет напряжения С/_зи (большие токи /_с, 1/_зи^>0).

Подчеркнем еще раз: в транзисторах с коротким каналом полного перекрытия канала не происходит.

Помимо рассмотренных выходных стоковых характеристик /_с = Я?/_си) ^пР^изи const, широко используются передаточные (стокозатворные) характеристики /_с = /(Н_зи) при ?/_си = const (см. рис. 6.4, е; 6.5, в; 6.6, е). На рис. 6.6, е приведены семейства /_с = /(?/_зи) для МДП-транзисторов со встроенным каналом, обозначенные индексом В, и с индуцированным каналом (И), а на рис. 6.4, е и рис. 6.5, в — аналогичные характеристики соответственно для ПТШ и ПТУП. При ?/_си < ?/_си иас (крутые участки выходных характеристик) для всех типов транзисторов рассматриваемые стокозатворные характеристики близки к линейным, поскольку относятся к однородным каналам, когда в них нет перекрытия. В этом случае каналы во всех типах транзисторов ведут себя подобно полупроводниковым резисторам, что хорошо видно на рис. 6.6, д при U_CM = 1 В.

При значениях (7_СИ, соответствующих пологой области выходных характеристик, когда U_cu > U_cИнас, передаточные характеристики описываются квадратичной зависимостью. Квадратичная зависимость стокозатворных характеристик объясняется тем, что ток стока пропорционален объемной плотности заряда электронов Q_n = С_уд(Г/_зи — U) в канале и напряжению на перекрытой части канала 1/_СИнас = «^»_ор* ^т* ^е— ~.

U_{CM нас} — (С/_зи — U_nop)² (более подробно см. п. 6.4).

Квадратичная зависимость /_с = f (U_im) — С/|_и характерна для транзисторов с длинным каналом (см. рис. 6.4, е_у штриховая линия). Для транзисторов с коротким каналом передаточная характеристика квадратична только при напряжениях ?/_зи вблизи порогового (см. рис. 6.4, е, сплошная линия). С ростом напряжения и_ш на неперекрытой части канала увеличивается напряженность продольного электрического поля. В результате подвижность электронов снижается, дрейфовая скорость приближается к скорости насыщения и перестает зависеть от напряжения U_3ll, в результате характеристика становится линейной.

Для МДП-транзисторов при наличии отдельного вывода от подложки, возможно использование также семейства стокозатворных характеристик, измеренных при U_C[A = const, но при разных значениях напряжения на подложке С/_пи, измеряемого отно- 5 сительно истока (рис. 6.7). Напряжение и_ии изменяет обратное смещение на переходе сток—подложка и, следовательно, параметры канала, подобно тому, как это показано на рис. 6.6, б_у в, г.

Рис. 6.7.