gurtov

6.5. Характеристики МДП-транзистора в области отсечки

Ток канала равен I 0	, когда напряжение исток-сток V	= V *	= V	−V равно
DS	DS	DS	GS	T
напряжению отсечки и величина L = 0. Обозначим IDS ток стока при большем на-
пряжении стока:VDS > VDS* .
Тогда:
	IDS0 L = IDS (L − L) .			(6.15)

Таким образом, ВAX МДП-транзистора с учетом модуляции длины канала примет следующий вид:

IDS =	W	μnCox (VG	−VT )	2			1			.	(6.16)
	2L			1−		1		2εsε0 (VDS +VT −VG )
						L		qNA

Эффект модуляции длины канала оказывает большое влияние на проходные характеристики МДП-транзистора с предельно малыми геометрическими размерами, поскольку в этом случае величина L сравнима с длиной канала L. На рис. 6.9 пунктиром показаны зависимости тока стока от напряжения на стоке в области отсечки с учетом модуляции длины канала.

Отметим,чтоэффектмодуляциидлиныканаладляполевыхтранзисторовпофизической природе аналогичен эффекту модуляции ширины базы (эффект Эрли) для биполярных транзисторов. На вольт-амперных характеристиках транзисторов этот эффект также проявляется аналогично — в зависимости выходного тока от выходного напряжения.

Как видно из уравнения (6.12), в области отсечки ток стока IDS квадратично зависит от приложенного к затвору транзистора напряжения VG. На рис. 6.10 показана эта зависимость (кривая 1) и эта же зависимость, построенная в координатах IDS от напряжения VG (кривая 2). На практике экстраполяция прямолинейного участка этой зависимости определяет значение порогового напряжения.

IDS, мА	1	IDS, мА1/2
0,1	2	0,8

0,4

0,05

VDS

VT + 2

0 0,5

VT 1,0

1,5

VG, B

Рис. 6.10. 1 — Зависимость тока стока IDS от напряжения на затворе VG в области отсеченного канала;

2 — Зависимость корня из тока стока IDS от напряжения на затворе в области отсечки

Gurtov.indd 203

17.11.2005 12:28:36

Глава 6. Полевые транзисторы

6.6. Влияние типа канала на вольт-амперные характеристики МДП-транзисторов

Вид вольт-амперной характеристики МДП-транзистора в значительной мере зависит от типа полупроводниковой подложки и типа инверсионного канала. В том случае, если при нулевом напряжении на затворе VG = 0 инверсионный канал отсутствует, а по мере увеличения напряжения на затворе VG > VT появляется, такой инверсионный канал называют индуцированным. Если же при нулевом напряжении на затворе VG = 0 инверсионный канал уже сформирован, такой инверсионный канал называют встроенным. МДП-транзисторы с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе всегда закрыты, а МДП-транзисторы со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе всегда открыты.

Зависимость тока стока IDS от напряжения на стоке VDS при различных напряжених на затворе VG называют проходными характеристиками МДП-транзис- тора, а зависимость тока стока IDS от напряжения на затворе VG при различных напряжениях на стоке VDS называют переходными характеристиками МДП-тран- зистора. В том случае если напряжение на стоке VDS больше, чем напряжение отсечки VDS* , на переходных характеристиках ток стока IDS от напряжения на стоке VDS не зависит.

IDS

VG3 > VG2 > VG1

IDS

VG2

VG1 > VT

n-канальный

VG < VT

VDS

VG

с индуцированным

0

VT

IDS

каналом

VG3 > 0

IDS

VG2 = 0

VG1 < 0

n-канальный

VG < VT

со встроенным

VDS

VT

0

VG

каналом

–IDS

|VG3| > |VG2| > |VG1|

IDS

VG2

VG1 < 0

p-канальный

VG < VT

–VDS

0

VT

–VG

с индуцированным

каналом

–IDS

VG3 < 0

IDS

VG2 = 0

VG1 > 0

p-канальный

VG < VT

со встроенным

–VDS

VT

0

–VG

каналом

Рис. 6.11. Вольт-амперные характеристики n-канальных и p-канальных МДП-транзисторов с индуцированным и встроенным каналами

Gurtov.indd 204

17.11.2005 12:28:36

6.7. Эффект смещения подложки

На рис. 6.11 приведены вольт-амперные характеристики (проходные и переходные) n-канальных и p-канальных МДП-транзисторов с индуцированным и встроенным каналами. Здесь же указаны схемотехнические обозначения разных видов МДП-транзисторов. Из анализа этих вольт-амперных характеристик можно еще раз получить представление о знаках напряжений, подаваемых на затвор и сток МДПтранзисторов в активном режиме.

6.7. Эффект смещения подложки

Рассмотрим, как меняются характеристики МДП-транзистора при приложении напряжения между истоком и подложкой VSS. Отметим, что приложенное напряжение между истоком и подложкой VSS при условии наличия инверсионного канала падает на обедненную область индуцированного р-n-перехода.

В этом случае при прямом его смещении будут наблюдаться значительные токи, соответствующие прямым токам р-n-перехода. Эти токи попадут в стоковую цепь, и транзистор работать не будет. Поэтому используется только напряжение подложки VSS, соответствующее обратному смещению индуцированного и истокового р-n-перехода. По полярности это будет напряжение подложки противоположного знака по сравнению с напряжением стока. На рис. 6.4 была приведена схема p-ка- нального МДП-транзистора в области плавного канала при наличии напряжения

на подложке VSS.

При приложении напряжения канал-подложка VSS происходит расширение области пространственного заряда между инверсионным каналом и квазинейтральным объемом, и для n-канального транзистора увеличение заряда ионизованных акцепторов:

QB = 2qεsε0 NA (ψs0 +VSS ) .

(6.17)

Поскольку напряжение на затворе VGS постоянно, то постоянен и заряд на затворе МДП-транзистора Qm. Следовательно, из уравнения электронейтральности вытекает, что если заряд акцепторов в слое обеднения QB вырос, заряд электронов в канале Qn должен уменьшиться. С этой точки зрения подложка выступает как второй затвор МДП-транзистора, поскольку регулирует также сопротивление инверсионного канала между истоком и стоком.

При возрастании заряда акцепторов в слое обеднения возрастет и пороговое напряжение транзистора VТ, как видно из уравнения (6.8). Изменение порогового напряжения VT будет равно:

VT =	QB	=	2εsε0 NA	( ψs0 +VSS − ψs0 ).	(6.18)
	Cox		Cox2

Поскольку смещение подложки приводит только к изменению порогового напряжения VТ, то переходные характеристики МДП-транзистора при различных напряжениях подложки VSS смещаются параллельно друг другу. На рис. 6.12 и 6.13 показан эффект влияния смещения подложки на переходные и проходные характеристики МДП-транзисторов.

Gurtov.indd 205

17.11.2005 12:28:36

Глава 6. Полевые транзисторы

IDS, мА 0,3

0,2	VSS = 0 В	1	4	9

0,1

0

1

2

3

4 VG, В

Рис. 6.12. Влияние напряжения смещения канал-подложка VSS на проходные характеристики транзистора в области плавного канала VDS = 0,1 В

IDS, мА
				6 B
3
2			VG = 10 B
				5 B
			9 B
1				4 B
			8 B
				3 B
0	2	4	6	8 VDS, В

Рис. 6.13. Переходные характеристики МДП-транзистора при нулевом напряжении VSS = 0 В смещения канал-подложка (сплошные линии) и при напряжении VSS = –10 В (пунктирные линии)

6.8. Малосигнальные параметры

Для МДП-транзистора характерны следующие малосигнальные параметры: крутизна характеристики S, внутреннее сопротивление Ri, коэффициент усиления μ. Крутизна переходной характеристики S определяется как:

S =	dIDS	, VDS = const	(6.19)
	dVG

и характеризуется изменением тока стока при единичном увеличении напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке.

Gurtov.indd 206

17.11.2005 12:28:36

6.8. Малосигнальные параметры

Внутреннее сопротивление Ri определяется как:

Ri	=	dVDS	, VGS = const	(6.20)
		dIDS

и характеризует изменение напряжения в выходной цепи, необходимое для единичного увеличения тока стока при неизменном напряжении на затворе.

Коэффициент усиления μ определяется как:

μ =	dVDS	, IDS = const	(6.21)
	dVG

и характеризуется изменением напряжения в выходной цепи при единичном изменении напряжения во входной цепи и неизменном токе стока. Очевидно, что в области плавного канала крутизна S и дифференциальное сопротивление Ri будут иметь значения:

S =

W

μ

C V

;

R

=

W

μ

C

(V

−V

−V

) −1 .

(6.22)

L

n

ox DS

i

L

n

ox

G

T

DS

При этом коэффициент усиления μ, равный их произведению, всегда меньше единицы:

VDS
μ = Si Ri = VG −VT −VDS	<1 .	(6.23)

Таким образом, необходимо отметить, что полевой МДП-транзистор как усилитель не может быть использован в области плавного канала.

Сравним дифференциальное сопротивление Ri и омическое сопротивление R0, равное Ri = VDS /IDS в области плавного канала. Величина R0 равна:

	R0	W		μnCox	(VG	−VT		VDS		−1
		=					−		)	.	(6.24)
			L					2

Отметим, что дифференциальное сопротивление транзистора в области Ri совпадает с сопротивлением R0 канала МДП-транзистора по постоянному току. Поэтому МДП-транзистор в области плавного канала можно использовать как линейный резистор с сопротивлением R0. При этом величина сопротивления невелика, составляет сотни ом и легко регулируется напряжением.

Рассмотрим напряжения для малосигнальных параметров в области отсечки. Из (6.12) и (6.19) следует, что крутизна МДП-транзистора

S =	W	μnCox (VGS −VT ) = (	GS −	T ) .	(6.25)
	L

Из (6.25) видно, что крутизна характеристики определяется выбором рабочей точки и конструктивно-технологическими параметрами транзистора.

Величина в получила название «удельная крутизна» и не зависит от выбора рабочей точки.

Gurtov.indd 207

17.11.2005 12:28:37

Глава 6. Полевые транзисторы

Для увеличения крутизны характеристики необходимо:

—уменьшать длину канала L и увеличивать его ширину W;

—уменьшать толщину подзатворного диэлектрика dox или использовать диэлектрики с высоким значением диэлектрической проницаемости εox;

—использовать для подложки полупроводники с высокой подвижностью μn свободных носителей заряда;

—увеличивать напряжение на затворе VDS транзистора.

Динамическое сопротивление Ri в области отсечки, как следует из (6.12) и (6.20), стремится к бесконечности: Ri → ∞, поскольку ток стока от напряжения на стоке не зависит. Однако эффект модуляции длины канала, как было показано, обуславливает зависимость тока стока IDS от напряжения на стоке VDS в виде (6.16). С учетом модуляции длины канала величина дифференциального сопротивления Ri будет равна:

Ri	=	2(VDS −VG +VT )		L	.	(6.26)
		IDS		L

Коэффициент усиления μ в области отсечки больше единицы, его величина

равна:

μ =

4(VDS −VG +VT )

L

>>1.

(6.27)

VG −VT

L

Для типичных параметров МОП-транзисторов

W

см2

, Cox

−8

Ф

= 20, μn

= 2000

= 4 10

L

см

2

В с

VG −VT = 5 В, VDS =10 В,

L

= 0,1.

L

Получаем омическое сопротивление в области плавного канала Ri = R0 = 125 Ом. Величины дифференциального сопротивления Ri и усиления μ в области отсечки будут соответственно равны: Ri = 5 кОм, μ = 40.

Аналогично величине крутизны характеристики по затвору S можно ввести величину крутизны переходной характеристики S΄ по подложке, поскольку напряжение канал-подложка также влияет на ток стока.

S′ =			dIDS		,	VDS,VGS = const .			(6.28)
			dVSS
Подставляя (6.12) в (6.25), получаем:
	′	W					dVT
S		=		μnCox (VGS −VT )				.	(6.29)
			L				dVSS

Соотношение (6.29) с учетом (6.8) и (6.17) позволяет получить в явном виде выражение для крутизны передаточных характеристик МДП-транзистора по подложке S΄. Однако, поскольку в реальных случаях dVT/dVSS < 1, крутизна по подложке S΄ ниже крутизны по затвору S.

Gurtov.indd 208

17.11.2005 12:28:37

6.9. Эквивалентная схема и быстродействие МДП-транзистора

6.9.Эквивалентная схема и быстродействие МДП-транзистора

Исходя из общефизических соображений, МДП-транзистор можно изобразить в виде эквивалентной схемы, представленной на рис. 6.14. Здесь Rвх обусловлено сопротивлением подзатворного диэлектрика, входная емкость Свх — емкостью подзатворного диэлектрика и емкостью перекрытия затвор – исток. Паразитная емкость Спар обусловлена емкостью перекрытий затвор – сток. Выходное сопротивление Rвых равно сопротивлению канала транзистора и сопротивлению легированных областей истока и стока. Выходная емкость Свых определяется емкостью р-n-перехода стока. Генератор тока i1 передает эффект усиления в МДП-транзисторе.

G	Спар		D
R	i~	R	вых
вх	1	Свых
	Свх

S

S

Рис. 6.14. Простейшая эквивалентная схема МДП-транзистора

Определим быстродействие МДП-транзистора исходя из следующих соображений. Пусть на затвор МДП-транзистора, работающего в области отсечки, так что VGS = VDS = Vпит, подано малое переменное напряжение ũ = u0sin(ωt).

Тогда за счет усиления в стоковой цепи потечет ток i1 , равный:

i1 = S u .

(6.30)

Одновременно в канал с электрода затвора потечет паразитный ток смещения через геометрическую емкость затвора, равный:

i2 = u 2πfCoxWL .

(6.31)

С ростом частоты выходного сигнала f паразитный ток будет возрастать и может сравниваться с током канала за счет эффекта усиления. Определим граничную частоту работы МДП-транзистора f = fмакс, когда эти токи будут равны. Получаем с учетом (6.22):

f	=	μn (VGS −V )	.	(6.32)
макс		2πL
	2

Gurtov.indd 209

17.11.2005 12:28:37

Глава 6. Полевые транзисторы

Поскольку напряжение исток-сток VDS порядка напряжения VGS – VT, то, используя определение дрейфовой скорости

ϑдр	= μn Eср	= μn	VDS	,	(6.33)
			L

можно видеть, что предельная частота усиления fмакс определяется временем пролета τ электронов через канал транзистора:

ωмакс = 2πfмакс	=	ϑдр	=	1		.	(6.34)
		L			τ

Оценим быстродействие транзистора.

Пустьвеличинаподвижностиμn =500 см2/(В·с),длинаканалаL = 10 мкм = 10–3 см, напряжение питания Vпит = 10 В. Подставляя эти значения в (6.32), получаем, что максимальная частота для МДП-транзистора составляет величину порядка fмакс ≈ 1 ГГц. Заметим, что собственное быстродействие транзистора обратно пропорционально квадрату длины инверсионного канала. Поэтому для повышения быстродействия необходимо переходить на субмикронные длины канала.

6.10. Методы определения параметров МОП ПТ из характеристик

Покажем, как можно из характеристик транзистора определять параметры полупроводниковой подложки, диэлектрика и самого транзистора. Длину канала L и ширину W обычно знают из топологии транзистора. Удельную емкость подзатворного диэлектрика Сox, а следовательно, и его толщину находят из измерения емкости C-V-затвора в обогащении. Величину порогового напряжения VT и подвижность μn можно рассчитать как из характеристик в области плавного канала (6.10), так и из характеристик транзистора в области отсечки (6.12). В области плавного канала зависимость тока стока IDS от напряжения на затворе VGS — прямая линия. Экстраполяция прямолинейного участка зависимости IDS(VGS) к значению IDS = 0 соответствует, согласно (6.10),

VGS(IDS	→ 0) =VT	+	VDS	.	(6.35)
		2

Тангенс угла наклона tg(α) зависимости IDS(VGS) определяет величину подвижности μn:

μ		=	L tg(α)	.	(6.36)
	n
		W CoxVDS

В области отсечки зависимость корня квадратного из тока стока IDS от напряжения на затворе VGS также, согласно (6.12), должна быть линейной. Экстраполяция этой зависимости к нулевому току дает пороговое напряжение VT.

Тангенс угла наклона tg(α) зависимости IDS(VGS) определит величину подвижности μn:

μ		=	L tg2 α	.	(6.37)
	n
			W Cox

Gurtov.indd 210

17.11.2005 12:28:38

6.11. Топологические реализации МДП-транзисторов

На рис. 6.10 были приведены соответствующие зависимости и указаны точки экстраполяции. Для определения величины и профиля легирования NA(z) пользуются зависимостью порогового напряжения VT от смещения канал – подложка VSS. Действительно, как следует из (6.18), тангенс угла наклона tg(α) зависимости VT = f( ψs0 +VSS) определяет концентрацию легирующей примеси. Зная толщину окисла и примерное значение NA (с точностью до порядка для определения 2φ0), из (6.18) можно рассчитать величину и профиль распределения легирующей примеси в

подложке МДП-транзистора:

	NA =	ε2	ε	0	tg(α) 2
		ox					.	(6.38)
		2qεs				dox

Эффективная глубина z, соответствующая данному легированию, равна:

z =	2εsε0 (2ϕ0 +VSS )	.	(6.39)

qNA

Таким образом, из характеристик МДП-транзистора можно рассчитать большое количество параметров, характеризующих полупроводник, диэлектрик и границу раздела между ними.

6.11.Топологические реализации МДП-транзисторов

Взависимости от требуемых выходных параметров существуют различные технологические и топологические решения при приборной реализации МДП-транзисторов.

Втом случае, если требуется реализовать малые длины каналов, наиболее распространенными являются МДП-транзисторы, полученные методом двойной диффузии. Используя технологию двойной диффузии, на стандартном литографическом оборудовании удается получить МДП-транзисторы с хорошо контролируемой длиной канала L ≤ 0,5 мкм.

Структура МДП-транзистора, изготовленного методом двойной диффузии, приведена на рис. 6.15. Технологические особенности формирования такого транзистора следующие. В окно под областью истока проводится диффузия примеси p-типа с низкой концентрацией. Затем в окна истока и стока проводится диффузия примеси n-типа с высокой концентрацией. В результате получается МДП-прибор с субмикронной длиной канала, имеющей неравномерное распределение концентрации легирующей примеси по длине канала. Так же как и в стандартном технологическом процессе, можно получить МДП-транзисторы с обеднением и обогащением. Возможность получения на одном кристалле разного типа каналов позволяет строить высокоэффективные ключевые МДП-интегральные схемы, используя в качестве активных элементов МДП-транзисторы с обогащением, а в качестве нагрузочных — с обеднением. Поскольку в МДП-транзисторах, изготовленных методом двойной диффузии, концентрация носителей в канале (концентрация легирующей акцепторной примеси) зависит от координаты, то вольт-амперные характеристики такого транзистора будут несколько отличаться от характеристик стандартного прибора [15, 43].

Gurtov.indd 211

17.11.2005 12:28:38

Глава 6. Полевые транзисторы

Затвор

Исток

Сток

n+

p

n

n+

Рис. 6.15. Структура n-канального МДП-транзистора, изготовленного методом двойной диффузии

Для повышения плотности упаковки МДП-транзистора используют вертикально интегрированные структуры. В таких структурах области истока и стока располагаются друг над другом, а канал находится в вертикальной плоскости. Вертикально интегрированные структуры являются одним из направлений микроэлектроники по пути к «трехмерной» интеграции.

Основной разновидностью вертикально интегрированных МДП-транзисторов являются транзисторы с V-образными канавками, реализуемые на основе полипланарной технологии. В ее основе заложено вертикальное анизотропное травление кремния с ориентацией (110), что позволяет формировать в эпитаксиальном слое V-образные области. На рис. 6.16 приведена конструкция n-канального МДП-тран- зистора с V-образной канавкой. Роль истока и стока играют сильнолегированные n+-области, а область канала находится между ними. V-МОП-технология позволяет реализовать компактную ячейку, содержащую V-МДП-транзистор, n-МДП-тран- зистор и нагрузочный резистор, изготовленный по технологии с поликремниевым затвором и оксидной изоляцией.

МДП-транзисторы с вертикальным каналом используются в выходных каскадах и источниках питания, поскольку их мощность рассеивания достигает сотен ватт и они обладают при этих условиях лучшими импульсными характеристиками по отношению к другим полупроводниковым приборам. В V-МДП-транзисторах могут сочетаться высокие рабочие напряжения (до 1000 вольт) и большие токи (десятки ампер).

Другим технологическим приемом, позволяющим реализовать трехмерную структуру интегральных схем, является КНИ-технология, или технология «кремний на изоляторе». Предтечей этой технологии являлась КНС-технология, или технология «кремний на сапфире». В этой технологии на сапфире эпитаксиально выращивались тонкие слои монокристаллического кремния, из которых методами планарной технологии формировались изолированные кремниевые «островки». В этих заготовках затем формировались обычные МДП-транзисторы. Особенностью КНС-технологии является отсутствие паразитных связей через подложку между отдельными МДП-транзисторами при объединении их на одном кристалле в интегральную схему. На рис. 6.17 приведена схема МДП-транзистора по технологии «кремний на сапфире».

Gurtov.indd 212

17.11.2005 12:28:38