Разновидности МДП – транзисторов

 

1. По типу проводимости канала

n-канальный (рассмотрен)

p-канальный

 

Рис. 16. p-канальный МДП транзистор с индуцированным каналом

 

2. По характеру канала: транзисторы с индуцированным каналом

когда канала нет, канал появляется при :

n- канал p- канал.

Именно такие транзисторы рассмотрены выше.

 

Рис. 17. Входная характеристика n- канального транзистора с индуцированным каналом.

 

Рассмотрим транзистор со встроенным каналом:

 

 

Рис. 18. Структура n-канального МДП транзистора (аналогично для p-канального)

 

Рис. 19. Входная характеристика n- канального транзистора со встроенным каналом.

 

Рис. 20. Обозначения различных МДП транзисторов

 

Зависимость порогового напряжения от электрофизических характеристик

 

Подложка p-типа (n-канальная структура):

 

;

 

Подложка n-типа (p-канальная структура):

 

;

 

j_МП - разность работ выхода электронов из металла и полупроводника:

для подложки p-типа:

 

j_МП=j_МПС‑|j_F|

 

для подложки n-типа:

 

j_МП=j_МПС+|j_F|

 

j_МПС=‑0.6 В - разность работ выхода электронов из алюминия и кремния с собственным типом проводимости.

|j_F| - абсолютное значение потенциала Ферми, измеряемого в В, или уровня Ферми в эВ:

 

.

 

Например:

 

 

тогда разность работ выхода: .

 

- плотность заряда поверхностных состояний

 

N – концентрация примеси в подложке.

 

Для поликремниевого затвора:

 

Разность работ выхода из затвора и подложки:

1. n-канальный транзистор – подложка p-типа, затвор легирован n-примесью

 

 

2. p-канальный транзистор – подложка n-типа, затвор легирован p-примесью

 

 

В SPICE пороговое напряжение называется vto. Расчет параметров МОП-транзисторов подробно описан в [1 - §8.6, 11.3; 2 - §9.3].

 

Динамические параметры

 

Удельные емкости перекрытия:

 

, [Ф/м];

 

Названия:

cgso – удельная емкость перекрытия затвор – исток,

cgdo – удельная емкость перекрытия затвор – сток,

cgbo – удельная емкость перекрытия затвор – подложка за счет выхода затвора за пределы канала,

единица измерения этих емкостей – Ф/м.

Емкости p-n-переходов при нулевом смещении рассчитываются по известным формулам, аналогично емкостям биполярных транзисторов и резисторов.

Названия:

cbs – емкость исток – подложка, cbd – емкость сток – подложка, Ф.

Другие параметры

tox – толщина окисла, м, (10^-7),

level – уровень модели (1 – самая простая модель),

L, W – длина и ширина канала, м,

UO – подвижность носителей тока в канале, см²/(В×с), значение по умолчанию (UO=600) соответствует поверхностной подвижности электронов.

 

Приборы и ИС на арсениде галлия

 

Особенности

 

Преимущества:

1. Высокая подвижность электронов µ_n =8000 - 11000 см²/(В×с), следовательно высокое быстродействие.

2. Большая ширина запрещенной зоны (1.4 эВ), следовательно, возможно создание схем устойчивых к высокой температуре и радиации.

3. Благодаря большая ширине запрещенной зоны, исходные пластины имеют высокое удельное сопротивление, следовательно, они являются полуизоляторами. Это облегчает изоляцию элементов ИС друг от друга.

 

Недостатки:

1. Технологические трудности, так как это химическое соединение.

2. Легирование только ионной имплантацией, диффузия неприменима.

3. У GaAs нет стабильного естественного окисла, трудности с изоляцией.

4. Поверхность очень восприимчива к различным химическим веществам.

5. Хрупкий материал.

 

Приборы GaAs

1.	СВЧ диоды Шоттки
2.	Полевые транзисторы с затвором Шотки
3.	Полевые транзисторы с p-n переходом

Рис. 21. Типы приборов на арсениде галлия.

 

КОНТАКТ ШОТТКИ: МЕТАЛЛ – n – ПОЛУПРОВОДНИК.

 

Рис. 22. Контакт Шоттки: зонные диаграммы.

Анод – металл, катод – n – полупроводник.

 

СТРУКТУРА ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА.

 

Рис. 23. Структура полевого транзистора на GaAs с затвором Шотки.

 

Зависимость тока стока I_С от напряжений сток – исток U_С и затвор – исток U_З для малых напряжений U_С.

 

 

- внутренняя проводимость.

- встроенный потенциал контакта Шоттки,

E_C – дно зоны проводимости, E_F – уровень Ферми.

 

С ростом U_С обедненный слой со стороны стока расширяется и наступает отсечка канала, как в МДП транзисторах.

 

 

- напряжение отсечки

 

Рис. 24. Выходные характеристики полевого транзистора на GaAs с затвором Шотки.

 

,

 

обычно выполняется условие , тогда:

 

 

Основные параметры:

 

Взаимной проводимостью называется:

 

;

 

в линейном режиме взаимная проводимость равна:

 

 

в режиме насыщения

 

 

V_ОТС определяется экспериментально из характеристики I_{С НАС}

Время пролета:

 

 

У барьера Шоттки есть только барьерная емкость [3]:

 

.

 

Если U_ОТС <0, при U_З =0 через структуру течет ток I_С - это нормально открытый транзистор (D – типа, работающий в режиме обеднения).

Если U_ОТС >0, при U_З =0, I_C =0 (т.е. ток через не течет): это нормально закрытый транзистор (E – типа, работающий в режиме обогащения).

У нормально открытого транзистора I_C большой, следовательно большое быстродействие и мощность.

У нормально закрытого транзистора I_C малый, следовательно низкая мощность и быстродействие.

 

Физические параметры арсенида галлия.

 

Относительная диэлектрическая проницаемость e _GaAs=11 (e ₀=8.85×10^-14 Ф/см).

Ширина запрещенной зоны j _З=1.40 эВ (В).

Подвижность электронов µ_n =8000…11000 см²/(В×с)

Собственная концентрация n_i =1.5×10⁶ см^-3.

Барьер Шоттки (n-GaAs) f _B=0.8 эВ (В).

Постоянная Ричардсона (n-GaAs):

низкая напряженность электрического поля A^*=8.2 А/(см²×К²),

высокая напряженность электрического поля A^*=144 А/(см²×К²).

 

Модели ПТШ, используемые в PSPICE.

 

В этих моделях зависимости тока стока от напряжений отличаются от рассмотренных выше:

Модель первого уровня (Level 1):

 

 

Модель второго уровня (Level 2):

 

 

Рис. 25. PSPICE – модель полевого транзистора на GaAs с затвором Шотки.

 

Описание ПТШ в PSPICE:

 

bxxx <drain node> <gate node> <source node> <model name>

.model <model name> gasfet(…)

 

Параметры GaAs ПТШ SPICE:

Level=1,2

VTO= напряжение отсечки, -2,5 В

BETA – крутизна,

Lambda – коэффициент наклона в пологой части, 1/В

Tau – время пролета, сек

Alpha – параметр напряжения насыщения, 1/В

R_G, R_D, R_S – сопротивления, Ом

C_GD, C_GS, C_DS – емкости затвор – сток, затвор – исток, сток – исток, Ф.

 

Параметры рассчитываются по следующим формулам:

 

 

 

.

 

 

 

 

- на сток и исток приходится по половине емкости диода Шотки, S – площадь металлического затвора.

 

- это – емкость плоского конденсатора, обкладками которого являются высоколегированные области стока и истока, а диэлектриком – низколегированная область канала.

 

- время пролета.

 

Логические схемы

 

Общие сведения

 

Логические схемы на входе и выходе должны иметь два устойчивых состояния: логического нуля и логической единицы.

 

Примеры логических функций, выполняемых схемами:

И-НЕ		ИЛИ-НЕ
X1	X2	Y	X1	X2	Y