Подпороговые характеристики МДП-транзистора

 

Для получения статических параметров МДП-транзисторов часто используют метод, предусматривающий соединение затвора и стока друг с другом и измерения зависимости тока стока от стокового напряжения. Соответствующая схема включения имеет вид, приведенный на рис. 7.13. В этой схеме транзистор всегда находится в режиме насыщения.

 

 

сток

 

затвор

 

       подложка

 

исток

 

Рис. 7.13. Схема включения МДП-транзистора, в которой

затвор и сток соединены друг с другом

 

Уравнение вольт-амперной характеристики МДП-транзистора с изолированным затвором в линейной области при 0 £ U_СИ < U_{СИ насыщ} имеет вид

 

         (7.8)

 

 где z – ширина канала; L – длина канала; C _i – емкость диэлектрика; m _n – подвижность носителей в канале.

В режиме насыщения при   U _{СИ насыщ} = U _З – U _пор уравнение вольт-амперной характеристики МДП-транзистора с изолированным затвором принимает вид

 

                    (7.9)

 

Согласно уравнению (7.9) график зависимости (I _C)^1/2 от U_З должен быть линейным (сплошная линия 1, рис. 7.14). Пороговое напряжение легко найти, как точку пересечения с осью напряжений. В идеальном случае ниже порогового напряжения канала нет. В реальности этот график имеет вид, соответствующий пунктирной линии 2 на рис. 7.14. Такой вид графика связан с токами, протекающими в транзисторе при напряжениях меньше пороговых.

 

(I _C)^1/2

 

 

                                     1

 

2

 

U _пор U _З

 

Рис. 7.14. График зависимости (I _C)^1/2 от напряжения

на затворе U_З

 

Одно из наиболее удобных и полезных упрощений, принятых в простой теории МДП-транзистора, состоит в том, что пока его затворное напряжение меньше порогового, весь заряд свободных носителей в канале считается равным нулю, а когда затворное напряжение больше порогового, заряд обедненной области под затвором считается постоянным. Такое приближение удобно потому, что концентрации свободных носителей заряда в канале экспоненциально зависят от напряжения канала, тогда как плотность неподвижного заряда пропорциональна корню из этого напряжения. Однако вблизи порогового напряжения простая теория недостаточно точно описывает ток прибора, что подтверждается при тщательном измерении его характеристик. Главный момент здесь - это некоторый конечный (ненулевой) ток при затворных напряжениях, меньших порогового, который называется предпороговым или подпороговым током, то есть если напряжение на затворе МОП-транзистора ниже порогового и граница с окислом находится в условиях слабой инверсии, соответствующий ток стока называют подпороговым (или предпороговым) током.

Подпороговые токи обусловлены инверсным зарядом, который существует при затворных напряжениях меньше порогового. В интервале напряжений U _инв< U_З < U _пор, где U _инв – напряжение инверсии, при котором концентрация носителей в канале равна собственной концентрации носителей n _i, существует малый ток канала. Указанный интервал напряжений называется подпороговой областью, поверхностная концентрация носителей в нем изменяется от собственной концентрации носителей n _i до концентрации основных носителей в объеме.В условиях слабой инверсии основной компонентой тока канала является диффузионная составляющая.

Обращает на себя внимание тот факт, что в области слабой инверсии зависимость тока стока I _Сили I _DS от напряжения на затворе U_З или V _GS – экспоненциальная функция. На рис. 7.15 приведены переходные характеристики транзистора в этой области.

Подпороговая область характеристик особенно важна для МОП-транзисторов, предназначенных для работы в низковольтных полупроводниковых устройствах с малым энергопотреблением (цифровые логические схемы, устройства памяти), поскольку этот режим соответствует закрытому состоянию МОП-транзистора, а также описывает процесс переключения из закрытого состояния в открытое

 

Рис. 7.15. Зависимость тока стока I _DS от напряжения на затворе V _G в предпороговой области для МДП‑транзисторов с разной толщиной подзатворного диэлектрика.

Напряжение исток-сток V _DS = 0,025 В

 

Приборы с зарядовой связью

Новым типом полевых полупроводниковых приборов, работающих в динамическом режиме, являются приборы с зарядовой связью (ПЗС). На рис. 7.16 приведена схема, поясняющая устройство и основные физические принципы работы ПЗС. Приборы с зарядовой связью представляют собой линейку или матрицу последовательно расположенных МДП - структур. Величина зазора между соседними МДП - структурами невелика и составляет 1 - 2 мкм. ПЗС - элементы служат для преобразования оптического излучения в электрические сигналы и передачи информации от одного элемента электронной схемы к другому.

 

 

Рис. 7.16. Устройство и принцип работы приборов

с зарядовой связью

 

Рассмотрим принцип работы ПЗС. При подаче обедняющего импульса напряжения V _G1 на затвор 1-го элемента в ОПЗ полупроводника образуется неравновесный слой обеднения. Для электронов в полупроводнике р -типа это соответствует формированию под затвором 1-го элемента потенциальной ямы. Известно, что неравновесное состояние сохраняется в период времени t порядка времени генерационно-рекомбинационных процессов τ _ген. Поэтому все остальные процессы в ПЗС‑элементах должны проходить за времена меньше τ _ген. Пусть в момент времени t ₁ >> τ _ген в ОПЗ под затвор 1-го элемента инжектирован каким-либо образом информационный заряд электронов (рис. 7.16, б). Теперь в момент времени t ₂ > t ₁, но t ₂ << τ _ген на затвор 2-го ПЗС элемента подадим напряжение V _G2 > V _G1, способствующее формированию более глубокой потенциальной ямы для электронов под затвором 2-го элемента. Вследствие диффузии и дрейфа возникнет поток электронов из ОПЗ под 1-м элементом в ОПЗ под вторым элементом, как показано на рис. 7.16, в. Когда весь информационный заряд перетечет в ОПЗ 2-го ПЗС-элемента, напряжение на затворе V _G1снимается, а на затворе V _G2 уменьшается до значения, равного V _G1 (см. рис. 7.16, г). Произошла nepeдача информационного заряда. Затем цикл повторяется и заряд передается дальше в ОПЗ 3-го ПЗС-элемента. Для того, чтобы приборы с зарядовой связью эффективно функционировали, необходимо, чтобы время передачи t _пер от одного элемента к другому было много меньше времени генерационно-рекомбинационных процессов (t _пер << τ_ген). Не должно быть потерь информационного заряда в ОПЗ вследствие захвата на поверхностные состояния, в связи с чем требуются МДП - структуры с низкой плотностью поверхностных состояний (N _ss ≈ 10¹⁰ см^-2·эВ^-1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Дисциплина «Физические основы электроники» является базовым курсом при подготовке студентов направления подготовки бакалавров 210100 «Электроника и наноэлектроника», профиля «Микроэлектроника и твердотельная электроника». Не умаляя полезности существующих учебников и учебных пособий по данной дисциплине, настоящая книга может стать фундаментом для начального образования по твердотельной электронике, своеобразным мостиком для освоения новых областей электроники, таких как микроэлектроника, наноэлектроника, микросхемотехника и функциональная электроника.

В учебном пособии рассматриваются физические основы твердотельной электроники, связанные с контактными явлениями в электронно-дырочных переходах, барьерах Шоттки и гетеропереходах, а также основы физики поверхности полупроводников и МДП-структур, устройство, характеристики, параметры, система обозначений и простейшие схемы применения полупроводниковых диодов, биполярных и полевых транзисторов, а также приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением - тиристоров.

В пособии использованы соответствующие действующим ГОСТам терминология, система обозначений и условные графические изображения приборов твердотельной электроники.

Систематизированное рассмотрение явлений, лежащих в основе работы приборов твердотельной электроники, и основных типов полупроводниковых приборов облегчит понимание и восприятие материала лекций по дисциплине «Физические основы электроники», читаемых студентам.

 

 

Библиографический список

 

1. Бонч‑Бруевич В.Л. Физика полупроводников/ В.Л. Бонч‑Бруевич, С. Г. Калашников. М.: Наука, 1977. 672 с.

2. Бормонтов Е.Н. Физика и метрология МДП-структур: учеб. пособие/ Е.Н. Бормонтов. Воронеж: ВГУ, 1997. 184 с.

3. Булычев А.Л. Электронные приборы/ А.Л. Булычев, В.А. Прохоренко. Минск: Вышэйш. шк., 1987. 316 с.

4. Дулин В.Н. Электронные приборы/ В.Н. Дулин. М.: Энергия, 1977. 424 с.

5. Гуртов В.А. Твердотельная электроника: учеб. пособие/ В.А. Гуртов. Петрозаводск, 2004. 312 с.

6. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: в 2-х кн.: пер. с англ./ С. Зи. М.: Мир, 1984.

7. Кремниевые планарные транзисторы/ под ред. Я.А. Федотова. М.: Советское радио, 1973. 336 с.

8. Крутякова М.Г. Полупроводниковые приборы и основы их проектирования/ М.Г. Крутякова, Н.А.Чарыков, В.В. Юдин. М.: Радио и связь, 1983. 352 с.

9. Маллер Р. Элементы интегральных схем /Р. Маллер, Т. Кейминс. М.: Мир, 1989. 630 с.

10. Морозова И.Г. Физика электронных приборов/ И.Г. Морозова. М.: Атомиздат, 1980. 392 с.

11. Пасынков В.В. Полупроводниковые приборы: учебник для вузов/ В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин. СПб.: Лань, 2003. 480 с.

12. Полупроводниковые приборы. Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: справочник/ под ред. Н.А. Горюнова. М.: Энергоиздат, 1987. 743 с.

13. Полупроводниковые приборы. Транзисторы: справочник/ под. ред. Н.А. Горюнова. М.: Энергоиздат, 1986. 904 с.

14. Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника/ Л. Росадо. М.: Высш. шк., 1991. 351 с.

15. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем/ И.П. Степаненко. М.: Энергия, 1977. 671 с.

16. Тугов Н.М. Полупроводниковые приборы/ Н.М. Тугов, Б.А. Глебов, Н.А. Чарыков. М.: Энергоатомиздат, 1990. 576 с.

17. Федотов Я.Л. Основы физики полупроводниковых приборов/ Я.Л. Федотов. М.: Советское радио, 1969. 592 с.

18. Шалимова К.В. Физика полупроводников/ К.В. Шалимова. М.: Энергия, 1976. 416 с.

19. Щука А.А. Электроника: учеб. пособие/ А.А. Щука; под ред. А.С. Ситова. СПб: БХВ-Петербург, 2005. 800 с.

20. Электронные приборы/ под ред. Г.Г. Шишкина. М.: Энергоатомиздат, 1989. 496 с.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение	3
1. Физические основы работы приборов твердотельной электроники	5
1.1. Зонная структура полупроводников	5
1.2. Собственные и примесные полупроводники	7
1.3. Статистика электронов и дырок в полупроводниках. Концентрация носителей заряда и положение уровня Ферми	8
1.4. Концентрация электронов и дырок в собственном полупроводнике	12
1.5. Концентрация электронов и дырок в примесном полупроводнике	13
1.6. Определение положения уровня Ферми	15
1.7. Проводимость полупроводников	16
1.8. Токи в полупроводниках	17
1.9. Неравновесные носители. Генерация и рекомбинация носителей	19
1.10. Уравнение непрерывности	21
1.11. Электрические поля в кристаллах	25
2. Контактные явления	27
2.1. Разновидности электрических переходов и контактов	27
2.2. Электронно-дырочный переход	28
2.2.1. р-n- переход в состоянии термодинамического равновесия	29
2.2.2. Контактная разность потенциалов	34
2.2.3. Ширина p‑ n -перехода	35
2.2.4. Прямое включение р-n- перехода	41
2.2.5. Уровень инжекции	46
2.2.6. Обратное включение р-n- перехода	48
2.2.7. Теоретическая вольт-амперная характеристика р-n- перехода	51
2.2.8. Вольт-амперная характеристика реального р-n- перехода	57
2.2.9. Вольт-амперная характеристика р-п -перехода в полулогарифмических координатах	66
2.2.10. Пробой р - п -перехода	68
2.2.11. Емкость p - n -перехода	78
2.2.12. Переходные процессы в p - n -переходах	82
2.2.13. Частотные свойства p - n -перехода	89
2.2.14. Эквивалентные схемы р-п- перехода	92
2.2.15. Влияние температуры на свойства р-п -перехода	94
2.3. Разновидности электрических переходов	98
2.3.1. Гетеропереходы	98
2.3.2. Контакт полупроводников с одним типом электропроводности	108
2.3.3. Контакт металл – полупроводник. Барьер Шоттки	113
2.3.4. Омические контакты	121
2.3.5. Явления на поверхности полупроводников	125
3. Физика структуры металл-диэлектрик-полупро- водник	129
3.1. Идеальная структура металл – диэлектрик – полупроводник	129
3.2. Область пространственного заряда в равновесных условиях	133
3.3. Приповерхностная область пространственного заряда	139
3.4. Распределение плотности пространственного заряда, электрического поля и потенциала в идеальной МДП-структуре в режиме сильной инверсии	142

 

3.5. Вольт-фарадные характеристики идеальной МДП-структуры	146
3.5.1. Емкость области пространственного заряда	146
3.5.2. Емкость МДП-структур	149
3.6. Компоненты заряда в реальном диоксиде кремния и их влияние на ВФХ МДП-структуры	153
3.7. Распределение плотности пространственного заряда, электрического поля и потенциала в реальной МДП-структуре в режиме сильной инверсии	156
3.8. Определение параметров МДП-структур на основе анализа C - V характеристик	161
4. Полупроводниковые диоды	167
4.1. Методы изготовления полупроводниковых диодов	167
4.2. Выпрямительные диоды	172
4.3. Варикапы	180
4.4. Стабилитроны	183
4.5. Туннельный и обращенный диоды	189
4.6. Высокочастотные и сверхвысокочастотные диоды	195
4.7. Импульсные диоды	198
5. Биполярные транзисторы	202
5.1. Структура и основные режимы работы	202
5.2. Схемы включения транзистора	206
5.3. Основные физические процессы в биполярных транзисторах	211
5.4. Модуляция сопротивления базы	217
5.5. Статические характеристики биполярных транзисторов	219
5.6. Эквивалентная схема биполярного транзистора	223
5.7. Дифференциальные параметры биполярных транзисторов в схеме с общей базой	228
5.8. Дифференциальные параметры биполярных транзисторов в схеме с общим эмиттером	230
5.9. Малосигнальные параметры биполярного транзистора	232
5.9.1.Система z- параметров	233
5.9.2. Система y - параметров	234
5.9.3. Система h - параметров	235
5.10. Частотные и импульсные свойства транзисторов	239
6. Тиристоры	245
6.1. Структура и принцип действия	245
6.2. Основные параметры тиристоров	253
6.3. Феноменологическое описание ВАХ динистора	254
6.4. Способы включения и выключения тиристоров	260
7. Полевые транзисторы и приборы с зарядовой связью	262
7.1. Полевой транзистор с управляющим p-n- переходом	264
7.2. МДП-транзисторы	271
7.2.1. МДП-транзисторы со встроенным каналом	276
7.2.2. МДП-транзисторы с индуцированным каналом	278
7.3. Эффект смещения подложки	279
7.4. Эквивалентная схема МДП-транзистора	280
7.5. Подпороговые характеристики МДП-транзистора	282
7.6. Приборы с зарядовой связью	285
Заключение	288
Библиографический список	289

Учебное издание

 

Свистова Тамара Витальевна

 

ПРИБОРЫ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ

ЭЛЕКТРОНИКИ

 

В авторской редакции

 

 

Подписано к изданию 12.11.2012.

Объем данных 11,9 Мб.

 

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

394026 Воронеж, Московский просп., 14