Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
Механизм функционирования ДЗПТ понять несложно, по крайней мере на
качественном уровне. Если к стоку приложено невысокое положительное
напряжение VD, а к металлу затвора - напряжение VG, меньшее порог ового
напряжения ( VG < VT), то на кремниевой поверхности осуществляется либо
накопление, либо обеднение (т.е. инверсия не происходит, и поверхностный
слой остается кремнием р-типа). В этих условиях электрический ток не
может течь от стока к истоку, поскольку сток (кремний и-типа) заряжен
положительно относительно подложки (кремния р-типа); в результате
возникает обратный р - и-переход, практически запирающий систему. Если же
VG становится больше порогового напряжения, то образуется поверхностный
инверсионный слой и поверхность кремниевой подложки превращается в
кремний и-типа. Теперь ток может течь от стока к истоку через
инверсионный слой и-типа, не пересекая р- и-переход. Превышающая VT
величина напряжения затвора модулирует число электронов в инверсионном
слое и таким образом регулирует эффективную электропроводность
инверсионного слоя. Контроль за током стока ID путем изменения напряжения
затвора является основой работы транзистора типа ДЗПТ.
Анализ физической природы ДЗПТ включает нахождение зависимости ID от
напряжений VG и VD и от геометрии устройства. Вывод соответствующих
уравнений основан на так называемом "анализе регулирования заряда" [3] и
включает ряд упрощающих допущений; тем не менее полученные уравнения
хорошо согласуются с экспериментальными данными и достаточно просты.
На рис. 26.6 представлена схема ДЗПТ, на которой показаны обедненный слой
(часто называемый областью объемного заряда) и инверсионный слой (часто
называемый каналом или канальной областью). Приложенное напряжение VG
больше порогового напряжения (иными словами, система находится в
состоянии сильной
392
Глава 26
1
V9
JL
Область
обеднения
Канал (инверсионный слои)
Ув
_L.T,,
т
а: V"?Vr, 14*0
-I-"
6: veyvr, VD<VG-VT
X
в: VD>{VG-VT), Vff>V,
Puc. 26.6. Схема ДЗПТ в поперечном сечении, иллюстрирующая влияние
изменения напряжения на инверсионный и обедненный слои, а: напряжение
стока очень мало; б: напряжение стока достаточно велико, чтобы вызвать
значительное изменение толщины инверсионного и обедненного слоев; в:
напряжение стока выше напряжения насыщения; эффективная длина канала
уменьшилась от L до Е относительно у = 0 в истоке (по данным [3]).
инверсии), a VD принимается очень малым, так что разность потенциалов в
канале не слишком сильно зависит от положения между стоком и истоком. В
этом случае легко установить простую взаимосвязь между током, протекающим
по каналу, зарядом канала Qn и временем пролета электронов
через канал Ти.
I" = - QJTtt. (26.7)
С другой стороны, время пролета равно отношению длины канала L к
скорости
электронов vd, которая связана с полем VD/L и подвижностью электронов в
канале цп уравнением
vd = pXdAL. (26.8)
Следовательно, время пролета электронов равно
X = c2/pXd-
(26.9)
Заряд канала Qn - это не что иное, как емкость конденсатора С0,
умноженная на Va - VT (т. е. на часть напряжения затвора, создающую
канал). Поскольку емкость конденсатора выражают в виде емкости,
отнесенной к единице площади, то необходимо
|
г
Химически чувствительные полевые транзисторы 393
ввести множитель WL, отражающий площадь затвора:
<2"= -C0(Ve-Vr)WL. (26.10)
Здесь W- ширина затвора, а пороговое напряжение VT определяется в
соответствии с уравнением (26.5).
Подставив уравнения (26.9) и (26.10) в уравнение (26.7), получим
следующее выражение для тока стока:
Id = ^JVCo(Vg_Vt)Vd. (26.11) '
Теперь рассмотрим ситуацию, когда напряжение стока в сравнении с
напряжением затвора настолько велико, что им уже нельзя пренебречь. Как
показано на рис. 26.6, б, в этой ситуации распределение зарядов в канале
и области объемного заряда будет иным. Теперь плотность электронов в
канале вблизи стока намного уменьшится, поскольку снизилось эффективное
напряжение смещения на канале вблизи стока. Аналогично в силу повышения
напряжения стока возрастает толщина области обеднения вблизи стока.
Упрощенный анализ тока в канале после увеличения напряжения стока дает
приближенное описание среднего потенциала между затвором и каналом как Va
- (Vd/2). Тогда заряд канала Qn будет отличаться от заряда, вычисленного
с помощью уравнения (26.10):
Qn = - С0 [KG -Vr- (ВД] WL. (26.12)
Отсюда следует, что ток стока равен
ID = ~^{vG - Ех - ^ VD, VD < KDsat. (26.13)
Уравнение (26.13) справедливо только тогда, когда напряжение стока меньше
Кз ~ VT (т. е. для "ненасыщенного" состояния). Если же VD > VG - V, (т.
е. в случае "насыщенного" состояния), то разность потенциалов между
затвором и каналом вблизи стока меньше или равна нулю. В результате, как
показано на рис. 26.6, в, при VD > VG - Vj вблизи стока канал исчезает.
Если ДЗПТ работает в насыщенном состоянии, то для электронов, движущихся
через область обеднения, энергетический барьер перестает существовать;
