Полупроводниковые приборы и элементы интегральных микросхем (ППиЭИМ)

Министерство образования Республики Беларусь

БГУИР

Факультет заочного обучения

Кафедра: микро- и наноэлектроники

Контрольная работа №17

по дисциплине: «Полупроводниковые приборы и элементы интегральных микросхем»

Выполнил студент гр. 800301 Специальности МиНЭТиС Подвальский А. С.

Проверил:.

2011

№17. Используя энергетические диаграммы МДП-структур,

объясните принцип работы р-канального МДП-транзистора с индуцированным каналом.

МДП транзисторы относятся к ниполярным приборам, т.е. принцип их действия основан на использовании только основных носителей заряда.

По основному признаку - способу формирования канала - различают МДП транзисторы с индуцированным каналом (канал между истоком и стоком появляется (индуцируется) под действием напряжения на затворе) и со встроенным каналом (канал между истоком и стоком заранее выполнен (встроен) с помощью диффузии).

По типу электропроводности канала различают n-канальные и р-канальные транзисторы.

Принцип работы.

Нарисуем поперечное сечение МОП-структуры с полупроводником n-типа, плотности заряда и энергетические зонные диаграммы при различных величинах отрицательного смещения на затворе. Рисунок 1 иллюстрирует процесс включения (создание инверсионного проводящего канала р-канального МОП-транзистора с индуцированным каналом (МОП-транзистор, работающий в режиме обогащения).

Если в идеальной МДП-структуре к металлическому полевому электроду не прикладывается напряжение U_м = 0, то выполняется условие плоских зон, т.е. проводимость полупроводникового слоя у границы раздела такая же, как и в объеме полупроводника.

В реальной же МДП-структуре при U_з = 0 края зон у границы раздела искривятся вниз. Такое искривление энергетических зон обусловлено зарядом накопленных электронов Q_n, вызванным разностью работ выхода металл – полупроводник и положительным зарядом в оксиде Q_ss

(

рисунок 1а):

Рис. 1a

Следовательно, для достижения условия плоских зон на затвор нужно подать отрицательный заряд такой плотности, которая сможет нейтрализовать положительный заряд в оксиде, а величина напряжения плоских зон будет определяться выражением:

U_пз = φ_мп - Q_ss / С_0, С₀ – удельная емкость затвора (рисунок 1б):

Рис.1б

При дальнейшем увеличении плотности отрицательного заряда на затворе он сможет скомпенсировать положительный заряд ионизированных доноров у поверхности, оттолкнув нейтрализовавшие его электроны в глубь проводника. Таким образом, отрицательный заряд обедняет приповерхностный слой полупроводника, искривляя зоны вверх. Для реализации этой ситуации плотность отрицательного заряда на затворе должна возрасти на величину плотности заряда обедненного слоя Q_ос, которая в случае равномерного легирования подложки равна

Q_ос = q N_n X_d,

где N_n – концентрация примеси в подложке, X_d – ширина обедненного слоя.

(рисунок 1в):

Рис. 1в

Наконец, при напряжении на затворе равном U_пор собственный энергетический уровень E_i пересечет уровень Ферми E_Fn и у поверхности на границе раздела образуется слой с противоположным типом проводимости (в данном случае р-типа).

Проводящий канал на поверхности полупроводниковой подложки будем считать созданным, когда проводимость поверхностного слоя будет такой же, как в объеме, но обратной электропроводности. Таким образом, плотность отрицательного заряда на затворе должна увеличиться на плотность заряда канала Q_к. Заряд такой плотности сможет удерживать дырки инверсного слоя на поверхности, обеспечивая проводимость в канале такой же, как в объеме (рисунок 1г):

Рис.1г

Таким образом, возникший у поверхности полупроводника под затвором инверсный слой является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока. Так происходит управление током стока в МДП-транзисторе с индуцированным каналом.

№40 Кремниевый диод: величина обратного тока I_обр = , величина тока генерации в p-n- переходе I_G = . Температура Т = 300 К. Считая, что диод полностью открыт, определите величину прямого тока. Падением напряжения в объеме базы пренебречь.

Решение:

Определим величину прямого тока по выражению Шока:

,

где k = , q =

Так как диод полностью открыт, то U (напряжение, приложенное к кремниевому p-n- переходу) будет равно 0.7В.

Определим I_s.

I_s – ток насыщения, который является одной из составляющих обратного тока I_обр:

I_обр = I_s + I_G + I_ут,

I_ут – ток утечки p-n – перехода. Он определяется опытным путем, поэтому мы его учитывать не будем.

Тогда

I_s = I_обр - I_G,

I_s = - =

Определим I.