Физика полупроводниковых приборов Книга 1 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
характеристики, рассчитанные для неко* торых типичных профилей
легирования [15]. Здесь напряжение
V * VQ -Ь Уы> т. е. содержит также встроенный потенциал л*затвора.
qxo же касается напряжения VD (между стоком и истоком), то в
рассматриваемой модели оно вообще не фигурирует. Отметим, что для всех
приведенных на рис. 14 профилей легирования передаточные характеристики
обладают существенной нелинейностью (линейность возникает лишь при
предельных значениях параметров, характеризующих эти распределения).
Последнее обстоятельство существенно отличает рассматриваемую модель с
полностью насыщенной скоростью от рассмотренной выше модели с постоянной
подвижностью, где изменения профиля легирования оказывают пренебрежимо
малое влияние на передаточные характеристики. Согласно выражению (53),
крутизна транзистора gm уменьшается с ростом напряжения на затворе VG,
однако другой ражный параметр gm/CqS, характеризующий быстродействие
цод§-
348
Глава 6
Однородное легирование, N=ND
N
NT.
V^Nsh2
Степенной ~ профиль, N=N0x Ni
y=±3^h"->2
6S n+2
Mpf-
n + 1
<w
0 V/Vp 1
Экспоненциальный профиль, N=N0 eax
Л/,
Nr
I Аналитическое выражение отсутствует
oC = оо
cC = 30 *=0
Ступенчатый Шх-^d
профиль N--Ud,xta
N
n2
A/,
d a
м1(,'ф-'Лв
1 ? й
&
Ч" d^O
0
= 1
Рис. 14. Передаточные характеристики для некоторых типичных профилей
легирования [15].
НО'- •
*3 I-
100*
\
* -I. .. %
л •ч 60-
40 -
20-
0
п-------г
' I
\ \ Плабнв нарастая \ *^ший профиль
Ч\
Однородный \
просриль
\
iiii
О 0,1 0,2 0,3 0,4
у, w а
О 2 4 6 8 10 12 /4
Ve, В
б
Рис. 15. Экспериментально измеренные профили легирования (а) и
передаточные характеристики полевых транзисторов с плавно нарастающим и
однородным профилем легирования канала (б) [16].
Полевые транзисторы
349
вого транзистора, остается при этом неизменным, поскольку емкость затвор-
исток CGS - zs/h обратно пропорциональна глубине обедненного слоя, т. е.
gJCGS = vsZ = const. (54)
Из экспериментальных результатов следует, что полевые транзисторы с
плавно [16] и ступенчато легированным [17] каналом имеют передаточные
характеристики с более высокой степенью линейности. Типичный пример
показан на рис. 15. В транзисторе с плавно нарастающим к центру канала
профилем легирования крутизна gm = 9,5 МОм-1 остается постоянной в
диапазоне напряжений на затворе 0 < VG < 12 В.
6.3.4. Двумерный анализ
В предыдущих разделах мы вывели аналитические соотношения для вольт-
амперных характеристик полевых транзисторов с р-п-переходом и МП-
транзисторов, используя различные предположения. Однако в приборах с
коротким каналом, в особенности при больших напряжениях на стоке,
начинают доминировать двумерные эффекты, которые трудно учесть
аналитически [18]. Соответ* Ствующий анализ мы проведем отдельно для
кремниевых полевых транзисторов с "-переходом и аналогичных приборов на
GaAs, поскольку зависимости дрейфовой скорости от поля в этих мате*
риалах существенно различаются (рис. 7).
Рассмотрим сначала вольт-амперные характеристики тонкого слоя кремния л-
типа, нанесенного на изолирующую подложку [81 (рис. 16" а). Как уже
говорилось выше" при малых напряжениях на стоке этот кремниевый слой
подобен резистору. При больших напряжениях темп увеличения дрейфовой
скорости электронов с ростом электрического поля ослабевает, и вольт-
амперная характеристика пленки отклоняется вниз от начальной прямой. При
еще больших напряжениях VD дрейфовая скорость достигает скорости
насыщения, что приводит к соответствующему насыщению тока. На рис. 16, б
показана модифицированная структура с зЩором между стоком и истоком в
виде р-я-перехода или выпрямляющего контакта металл-полупроводник. Здесь
обедненная область под затвором действует как слой изолятора, что
сокращает область канала, "открытую" для протекания электронного тока.
Ширина обедненного слоя определяется величиной приложенных напряжений.
При малом напряжении на стоке и затворе, закороченном на исток (рис. 16,
б), обедненный слой под затвором уменьшает поперечное сечение проводящего
канала b <С.а. Следовательно, сопротивление между стоком и затвором уве-
дичиэается.
350
Глава 6
S
Г
Омический
контакт
Без
затвора
I
\
'l Изолирующая Vp ) подложка
/"Без
/ затвора ' Vg=0
^vs^r Уд
Xf3
Постоянная -\JdjL-Постоянная концентрация n |n=No I V=M скорость V
/ Затвора
In
S'Без t
/ зотвора
! ^----~~Vg"0
^T.iii " ¦"*¦ Vg ^0
К9
Рис, 16. Распределение электрического поля и вольт-амперные
характеристики кремниевых МГЬтранзисторов при различных соотношениях
напряжений на стоке и затворе [8].
Используя закон сохранения полного тока, для любого поперечного сечения
канала можно написать
/д = Zqn (х) v (х) b (х). (55)
Концентрация электронов п(х) равна концентрации легирующей примеси Nd,
пока электрическое поле не превышает критического значения 1?с. Потенциал
вдоль канала увеличивается от нуля на истоке до VD на стоке.
Следовательно, обратное смещение перехода затвор-канал и локальная ширина
