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

22 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

27502. Определите, к какому виду актов относятся: приговор суда, приказ о зачислении на работу, и какова их структура 27 KB
  Определите к какому виду актов относятся: приговор суда приказ о зачислении на работу и какова их структура. Структура: Структурная единица логический элемент правового акта объединяющий сходные в той или иной степени нормы права.
27503. Определите, к какому виду правовых норм относится ст.5 ГК РФ 35 KB
  Нормы бывают исходные и правила поведения. Так же нормы бывают: начала дефиниции принципы коллизионные. 1 Исходные отправные первичные учредительные нормы занимают высшую ступень в законодательстве имеют наиболее общий характер наиболее высокую форму абстрагирования и выполняют особую роль в механизме правового регулирования общественных отношений. Эти нормы определяют исходные начала основы правового регулирования общественных отношений.
27504. Определите, что выступает предпосылками пенсионного правоотношения 28 KB
  Разграничиваются собственно юридические факты юридически значимые обстоятельства и юридически значимые предпосылки. Первые это основные фактические обстоятельства с которыми связано появление правовых отношений данного вида например возраст инвалидность потеря кормильца выслуга лет и т. Вторые это обстоятельства которые не предопределяя появления прав и обязанностей все же влияют на их объем величина трудового стажа наличие нетрудоспособных членов семьи и иждивенцев и т. Третьи такие фактические обстоятельства которые...
27505. Основные подходы к понятию политическая система 33.5 KB
  Элементами политической организации общества являются государство общественные объединения отдельные граждане. К числу общественных объединений входящих в политическую систему общества можно отнести: общественные организации т. основанные на членстве общественные объединения создаваемые на основе совместной деятельности для защиты общих интересов и достижения уставных целей членами которых могут быть как физические так и юридические лица ст.8; общественные движения состоящие из участников и не имеющие членства общественные...
27506. Основные подходы к правопониманию 27.5 KB
  Правопонимание это научная категория отражающая процесс и результат целенаправленной мыслительной деятельности человека включающая в себя познание права его восприятие и отношение к нему как к целостному социальному явлению Субъектом правопонимания всегда выступает конкретный человек например гражданин обладающий минимальным правовым кругозором столкнувшийся с проблемой права Объектом правопонимания могут быть право конкретного общества отрасль институт права отдельные правовые нормы Содержание правопонимания составляет...
27507. Относительная самостоятельность государства и права по отношению к обществу 26.5 KB
  Самостоятельность независимость свобода от внешних влияний принуждений от посторонней поддержки помощи. Относительная самостоятельность государства его органов естественна необходима и социально оправданна. Самостоятельность государства проявляется в свободе выбора при принятии им управленческих и других актов при избрании путей и методов решения встающих перед обществом задач при определении стратегии и тактики государственной политики.
27508. Отрасль права: понятие и характеристика 33 KB
  Отрасль права элемент системы права представляющий собой совокупность норм права регулирующих качественно однородную группу общественных отношений. В свою очередь отрасль права подразделяется на отдельные взаимосвязанные элементы которые называются институтами права. Основаниями для деления права на отрасли считаются: 1 предмет правового регулирования однородная и отделимая от других группа общественных отношений; 2 метод правового регулирования совокупность приемов способов воздействия на общественные отношения.
27509. Охарактеризуйте основные виды государственного принуждения 28.5 KB
  Охарактеризуйте основные виды государственного принуждения. Сфера воздействия на объект определяет вид государственного принуждения. 1 Предмет психологического государственного принуждения имеет сложную структуру. Задача психического принуждения состоит в возбуждении такого мотива поведения который вступая в борьбу с иными мотивами должен преодолеть их и склонить субъекта к требуемому поведению.
27510. Охарактеризуйте основные элементы состава правонарушения 39 KB
  Охарактеризуйте основные элементы состава правонарушения. Состав правонарушения как правовое понятие и раскрывает эту сложную структуру. Состав правонарушения это совокупность его элементов. Элементами состава правонарушения являются: объект правонарушения объективная сторона правонарушения субъект правонарушения субъективная сторона правонарушения.