43251

Полевые транзисторы в интегральных схемах

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Чем больше обратное напряжение тем глубже обедненный слой и тем соответственно меньше толщина канала w. Таким образом меняя обратное напряжение на затворе можно менять поперечное сечение а значит и сопротивление канала. При наличии напряжения на стоке будет меняться ток канала т. Определим зависимость толщины и сопротивления канала от управляющего напряжения на затворе при нулевом напряжении на стоке.

Русский

2013-11-06

323.5 KB

20 чел.

Московский государственный институт

радиотехники, электроники и автоматики

(Технический университет)

Курсовая работа

по микроэлектронике

на тему:

 Выполнила студентка

                                                                          Группы ЭС-11-01

Запышная Е.А.

Москва 2004г.

Содержание

1.Введение

2.Принцип действия

3.Статические характеристики

4.Малосигнальные параметры и эквивалентная схема

5.Элементы ИС

6.Логические элементы на полевых транзисторах с

  управляющим переходом Ме-п ∕п (МЕП)

Введение

    Транзисторами называют полупроводниковые усилительные приборы, т.е.приборы,которые способны усиливать электрическую мощность.Для того, чтобы управлять током в полупроводнике при постоянном электрическом поле,нужно менять либо удельную проводимость полупроводникового слоя, либо его площадь.На практике используется и тот,и другой способ,причём в основе обоих способов лежит эффект поля.Поэтому униполярные транзисторы обычно называют полевыми транзисторами.Проводящий слой,по которому проходит рабочий ток,называют каналом.

    Транзисторы с объёмным каналом(рис.1,б) характерны тем, что обеднённый слой создаётся с помощью p-n-перехода. Поэтому  их часто называют полевыми транзисторами с p-n-переходом.                                                                                                                                                                                     

                                                                                                           

                                                                                                                              

                         

                                  а)

Идеализированная структура современного полевого транзистора показана на рис.2.Здесь металлический контакт вместе со слоем p+ играет роль затвора, но затвор отделён от полупроводника n-типа не диэлектриком, как в случае МДП-транзисторов, а обеднённым слоем p-n-перехода. На переход задаётся обратное напряжение.

                Рис.2 Структура полевого транзистора

 

Вообще говоря,p+-слой не обязателен:обеднённый слой может иметь место и при непосредственном контакте металла с п/п.Транзисторы с такой структурой называют полевыми транзисторами с барьером Шоттки.

Принцип действия

   

На p-n-переход затвора задается обратное напряжение и глубина обедненного слоя меняется. Чем больше обратное напряжение, тем глубже обедненный слой и тем соответственно меньше толщина канала w. Таким образом, меняя обратное напряжение на затворе, можно менять поперечное сечение, а значит, и сопротивление канала. При наличии напряжения на стоке будет меняться ток канала, т.е. выходной ток транзистора.

Усиление мощности обеспечивается малой величиной входного тока. У полевых транзисторов входным током является обратный ток р-n-перехода затвора. Для кремниевых p-n-переходов небольшой площади обратный ток составляет до 10-11 А и менее.

Определим зависимость толщины и сопротивления канала от управляющего напряжения на затворе при нулевом напряжении на стоке. Толщину канала согласно рис.2 можно записать следующим образом:

w = а -l,

где а — расстояние от «дна» n-слоя до металлургической границы перехода. Пренебрегая равновесной высотой потенциального барьера, получаем зависимость толщины канала от напряжения на затворе:

    (1.1)

Под Uзи здесь и ниже понимается модуль напряжения на затворе.

Из условия w = 0 легко найти напряжение отсечки, при котором обедненный слой перекрывает весь канал и ток в канале прекращается:

     (1.2)

Например, если N = 5*1015 см -3 и а = 2 мкм, то Uзо = 12,5 В. С учетом высоты равновесного барьера напряжение отсечки будет несколько меньше.

Как видим, толщина рабочего слоя и концентрация примеси в нем должны быть достаточно малы. В противном случае напряжение отсечки будет настолько большим, что полное управление током (начиная с нулевого значения) окажется практически невозможным. 

Используя величину U3Q, толщину канала можно записать в следующей форме:

     (1.3)

Такая толщина сохраняется по всей длине канала. Сопротивление канала в этом

случае равно

                                                                              (1.4)

где Z — ширина канала (см. рис.2); ρ — удельное сопротивление n-слоя. При ρ = 1 Ом*см, а = 2 мкм и Uзи = 0 получается минимальное значение В0мин=0,5 кОм. При Uзи /Uзo = 0,5 сопротивление R0 возрастает до 1,8 кОм.

 

Статические характеристики

Если подано напряжение UСИ, то через канал протекает ток и поверхность канала, прилегающая к обедненному слою, уже не будет эквипотенциальной. Соответственно напряжение на p-n-переходе будет меняться вдоль оси х, возрастая вблизи стока. Значит, и ширина обедненного слоя перехода будет увеличиваться в направлении от истока к стоку (рис.3, а).

Когда разность потенциалов сделается равной напряжению

                                                                                                                                                  Рис.3      Сечение канала

                      полевого транзистора в нена-  

                                                                                                                                                сыщенном режиме(а),

                                                                                                                                       на границе насыщения (б)

                                                                                                                                        и в режиме насыщения (в)

отсечки U30, толщина канала вблизи стока станет равной нулю, т.е. образуется «горловина» канала (рис.3,б).В отличие от случая Uси=Uзо это не приводит к  отсечке тока, так как само образование «горловины» есть следствие увеличения тока.  Вместо отсечки тока происходит отсечка его приращений, т.е. насыщение тока.

Образование «горловины» канала знакомо по МДП-транзисторам. В дальнейшем, когда, «горловина» перемещается к истоку, а длина канала несколько уменьшается (рис.3,в). Эти явления также свойственны МДП-транзисторам.         

Из приведенного описания следует, что напряжение насыщения для полевых транзисторов выражается следующим образом:

(1.5)

Семейство стоковых ВАХ (рис. 4,а) имеет сходство с аналогичным семейством для МДП-транзисторов (рис. 4.1,а). Однако с ростом напряжения на затворе (по модулю) ток стока в данном случае не возрастает, а уменьшается. Можно сказать, что полевому транзистору свойствен режим обеднения, подобно МДП-транзистору со встроенным каналом.

Семейство стоко-затворных ВАХ (рис. 4,б) отличается от аналогичного семейства МДП-транзисторов (рис. 4.1, б) прежде всего тем,что ток протекает при нулевом напряжении на затворе. Условно можно сказать, что напряжение отсечки у полевого транзистора эквивалентно отрицательному пороговому напряжению у МДП-транзистора.  

Рис.4   Статические характеристики полевого транзистора:

                                                                                                   а- выходные; б- передаточные

Рис.4.1   Статические характеристики МДП-транзистора:

                                                                                                             а- выходные; б- передаточные

   Важная особенность ВАХ на рис.4,б состоит также в том, что напряжение на затворе может иметь только одну полярность, в данном случае — отрицательную. В противном случае напряжение на р-n-переходе будет прямым, начнется инжекция неосновных носителей и транзистор перестанет быть униполярным прибором.

Аналитические выражения для ВАХ полевого транзистора:

на крутом участке

                         

                                                          (1.6)

на пологом участке

                              (1.7)

где R0мин−сопротивление канала при Uзи=0 [см.(1.4)].

     Полевым транзисторам, как и МДП-транзисторам, свойственно понятие критического тока, при котором зависимость тока от температуры в принципе отсутствует.

     У полевых транзисторов наличие критического тока обусловлено противоположным влиянием функций b(T) и U30(T).Функция b(T) связана с температурной зависимостью подвижности, как и у МДП-транзисторов. Что касается функции U30(T),то из (1.2) она не вытекает. Однако, если при выводе выражения (1.2) использовать более точную зависимость, то в него войдёт равновесная высота барьера в p-n-переходе; последняя зависит от температуры. Именно с учётом этой зависимости и получается величина критического тока.

     Из условия dIc /dT=0 можно найти напряжение на затворе, соответствующее критическому току:

Uзо- Uзи кр=0,65В                (1.8)

     

Малосигнальные параметры и эквивалентная схема

Если воспользоваться аппроксимацией

то на пологом участке крутизна будет равна

                                                      (1.9)

а зависимость крутизны от тока выражается формулой

                                                      

    Малосигнальная эквивалентная схема полевого транзистора показана на рис. 5.

Элементы этой схемы в сущности те же, что и у МДП-транзистора: rс — дифференциальное сопротивление канала на пологом участке ВАХ; SUзи — источник тока, отражающий усилительные свойства транзистора; Rзи и Rзсобратные сопротивления р-n-перехода; Сзи и Сзс — барьерные емкости боковых частей р-n-перехода (рис.2). Инерционность изменений тока, как и у МДП-транзисторов, характеризуется постоянной времени крутизны тs. Этот параметр также представляет собой 

произведение сопротивления канала на емкость затвор-канал.

Поскольку сечения канала и обедненного слоя разные на разных участках (см. рис.3), воспользуемся средними значениями w             

       Рис.5.  Малосигнальная

эквивалентная схема полевого

           транзистора

и l. А именно, примем wcр =lср =1/2а. Тогда средняя емкость и среднее сопротивление канала запишутся следующим образом:

                                                                                                (2,а)

                             (2,б)

Соответственно средняя постоянная времени крутизны будет иметь вид:

                             (2.1)

Таким образом, в принципе переходные и частотные характеристики полевых и МДП-транзисторов могут быть одинаковыми. Однако практически длину канала у долевых транзисторов не удается сделать такой же малой, как у современных МДП-транзисторов. Поэтому в настоящее время быстродействие полевых транзисторов значительно ниже.

Естественно, что полевые транзисторы уступают МДП-транзисторам и по величине входного сопротивления: оно определяется обратным токоми обычно не превышает 1011 Ом. С ростом температуры это сопротивление быстро уменьшается и на границе рабочего диапазона (+125 °С) может дойти до 107 Ом и менее.

Важными достоинствами полевых транзисторов являются высокая стабильность характеристик во времени и малый уровень собственных шумов. Причина этих достоинств в том, что канал отделен от поверхности обедненным слоем, играющим роль диэлектрика. В результате на границе канала с таким «диэлектриком» отсутствуют дефекты кристаллической решетки, поверхностные каналы и загрязнения — все то, что у МДП-транзисторов является причиной нестабильности и шумовых флуктуации. По той же причине не происходит уменьшения подвижности, свойственного МДП-транзисторам.

Единственный неизбежный тип шумов у полевого транзистора — это тепловой шум, который свойственен каналу, как и любому резистору. Тепловой шум оценивают по формуле Найквиста:

где−полоса частот.Подставляя значения R0мин = 0,5кОм и  = 1Гц, получаем U2тш~3 нВ.

    В приведенном анализе рассматривалась только активная область полевого транзистора — его канал. Влияние пассивных областей (слоев истока и стока, рис. 2) сводится к дополнению эквивалентной схемы резисторамивключенными последовательно с истоком и стоком. Сопротивления этих резисторов обычно составляют не болеетак что их влияние (по сравнению с сопротивлением канала) мало существенно.

Элементы интегральных схем

Полевые транзисторы (ПТ) хорошо вписываются в общую технологию биполярных ИС и потому часто изготавливаются совместно с биполярными транзисторами на одном кристалле. Типичные структуры ПТ, расположенные в изолированных карманах, показаны на рис. 6.

          

  

 

 Рис. 6. Интегральные полевые транзисторы с n-каналом (а) и с р-каналом (б)

    В структуре, показанной на рис. 6, а, р-слой затвора образуется на этапе базовой диффузии, а n+-слои, обеспечивающие омический контакт с областями истока и стока, — на этапе эмиттерной диффузии. Заметим, что р-слой затвора окружает сток со всех сторон, так что ток между истоком и стоком может протекать только через управляемый канал.

   В n-карманах, предназначенных для ПТ, вместо скрытого n+-слоя осуществляется скрытый р+-слой. Назначение этого слоя — уменьшить начальную толщину канала а и тем самым напряжение отсечки [см.(1.2)]. Осуществление скрытого р+-слоя связано с дополнительными технологическими операциями. Для того чтобы скрытый р+-слой проник в эпитаксиальный слой достаточно глубоко, в качестве акцепторного диффузанта используют элементы с большим коэффициентом диффузии (бор или галлий).

   На подложку, а значит, и на р+-слой задают постоянный (максимально отрицательный) потенциал; поэтому они не выполняют управляющих функций.

Структура, показанная на рис. 6, б, совпадает со структурой обычного n-p-n-транзистора. Роль канала играет участок базового р-слоя, расположенный между n+- и n-слоями. Если при совместном изготовлении ПТ и биполярного транзистора не использовать дополнительных технологических процессов, то толщина канала будет равна ширине базы n-p-n-транзистора (0,5-1 мкм). При такой малой толщине канала получаются большой разброс параметров ПТ и малое напряжение пробоя. Поэтому целесообразно пойти на усложнение технологического цикла, осуществляя р-слой ПТ отдельно от базового р-слоя, с тем чтобы толщина канала была не менее 1-2 мкм. Для этого проводят предварительную диффузию p-слоя ПТ до базовой диффузии. Тогда во время базовой диффузии р-слой ПТ дополнительно расширяется, и его глубина оказывается несколько больше глубины базового слоя.

   Для того чтобы области истока и стока соединялись только через канал, n+-слой делают более широким (в плане), чем р-слой (рис. 6, б). В результате n+-слой контактирует с эпи-таксиальным n-слоем и вместе они образуют «верхний» и «нижний» затворы. В нижней части рис. 6, б контакт между «верхним» и «нижним» затворами условно показан штриховой линией. Подложка р-типа присоединяется к максимальному отрицательному потенциалу.

Логические элементы на полевых транзисторах с управляющим переходом металл-полупроводник (МЕП)

Схема логического элемента ИЛИ-НЕ на МЕП-транзисторах (рис. 7) аналогична схеме элемента на n-каналъных МОП-транзисторах. Полевые транзисторы типа металл—полупроводник аналогичны транзисторам с управляющим p-n-переходом, но обедненный слой формируется на границе металл-полупроводник (транзисторы такой структуры называют полевыми транзисторами с барьером Шоттки). В качестве нагрузочного транзистора используется нормально открытый МЕП-транзистор, а в качестве управляющих — нормально закрытые с пороговым напряжением около +0,2 В.

   Если оба входных напряжения меньше порогового, транзисторы Т1 и Т2 закрыты,   и   уровень   выходного   сигнала    близок к уровню напряжения питания.

Рис. 7  Логический элемент ИЛИ-НЕ на МЕП-транзисторах

    При появлении на одном из входов напряжения выше порогового, соответствующий ключевой транзистор открывается, и выход элемента переходит к низкому  логическому  уровню. Особенностью данного типа логических элементов является то, что транзисторы Т1 и Т2 работают при прямом смещении на управляющем переходе металл-полупроводник, которое для барьера Шоттки обычно не превышает  0,5В. Данное ограничение определяет низкие значения напряжения питания (обычно около 0,8 В) и логического перепада (около 0,5В).

Быстродействие МЕП-логического элемента, как и простейших МОП-ключей, определяется временем перезарядки нагрузочного конденсатора. МЕП-логический элемент имеет существенно более высокое быстродействие при одинаковой потребляемой мощности и линейных размерах. Это объясняется меньшими значениями логического перепада и емкости затвор-исток. Интегральные схемы на МЕП-логических элементах обычно изготавливаются на подложках из арсенида галлия (GaAs). Подвижность электронов в канале GaAs МЕП-транзистора выше, чем у кремниевого МДП-транзистора, что обеспечивает возможность использования транзисторов с меньшей шириной канала и, соответственно, меньшей емкостью затвор-исток.

Список используемой литературы

1.И.П.Степаненко  Основы микроэлектроники

  Москва−Санкт-Петербург,Лаборатория Базовых Знаний

  Невский Диалект физматлит,2001


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

58238. Вирусы 209 KB
  Вопросы к зачету по разделу Молекулярный уровень живой природы Каждому варианту будет предложено 10 вопросов на каждый вопрос нужно дать ответ одним полным предложением Какие элементы входят в состав углеводов Запишите общую формулу углеводов.
58242. Носовые гласные 139.5 KB
  Носовые гласные составляют одну из особенностей французского вокализма. В образовании их принимают участие как ротовой резонатор, так и резонатор носовой полости.
58243. Ускорение. Движение с постоянным ускорением. Уравнение движения 89.5 KB
  При движении любых тел их скорость может меняться, либо по модулю, либо по направлению, или одновременно и по модулю и по направлению. Движение может быть криволинейным и неравномерным, тогда скорость будет меняться и по модулю и по направлению. В это случае тело движется с ускорением.
58244. Клеточная теория. Клеточная мембрана 113.5 KB
  Клетки различных органов животных растений грибов внешне не очень похожи друг на друга. Все клетки сходны по строению химическому составу и жизненным функциям.
58245. Носовой гласный заднего ряда 117 KB
  Язык слегка оттянут назад, кончик языка опущен вниз у альвеол нижних резцов. Рот широко открыт, губы напряжены. [ɔ̃] сохраняет полную долготу перед согласным в конце ритмической группы, сокращает долготу в неударном положении и теряет долготу в абсолютном исходе...