Как подбираются пороговые напряжения мдп транзисторов

SemTE / Sem7_1

Пороговое напряжение (при U_пи=0) складывается из трех слагаемых – падениях напряжений на трех слоях:

Первое слагаемое определяет вклад материала затвора и подложки:

U_мп (2)

Возможны следующие случаи:

— Затвор металлический, Φм – определяется из справочных данных (4.1 эВ для алюминия)

— Затвор n+-Si*, F_м = E_c, Φ_м = χ = 4.15 эВ (сродство к электронам)

— подложка p-типа, Φ_п = χ + E_g/2 + φ_п (как видно из зонной диаграммы)

Где φ_п – встроенный потенциал подложки

Третье слагаемое по определению равно:

U_подл = ±2*φ_п (+ для n-канала; — для p-канала) (3)

Второе слагаемое описывает падение напряжение на оксидном слое:

(4)

Qss= e * Nss (заряд, связанный с поверхностными состояниями на границе оксид-кремний. Заряд всегда положительный, определяется плотностью поверхностных состояний Nss, задаваемой технологически)

Q_sn = ± e*N_подл*L_пор0 (- для n-канала; + для p-канала) – заряд, связанный с ОПЗ полупроводника

— удельная емкость диэлектрика

L_пор0= — ширина ОПЗ под затвором

Рисунок 2 – Все возможные виды проходной ВАХ МОП-транзистора

Пересечение графика с осью Ic – признак встроенного канала (ток течет при U_зи=0)

Рассчитать пороговое напряжение п-канального МДП-транзистора с параметрами:

L = 5 мкм; N_п = 10 15 см -3 ; U_ПИ = 0; e=1.6*10 -19 Кл

d = 0,1 мкм; _n = 700 см 2 /В.с; Затвор — n + — Si. N=10 20 см -3

Определить тип канала транзистора (встроенный или индуцированный)

МЕТОДИКА РЕШЕНИЯ

1. Находим встроенный потенциал подложки φ_п = 0.3 В
2. Находим для n-канала (то есть р-подложки)Uподл = 0.6 В
3. Находим работу выхода из п/п: Φ_п = χ + E_g/2 + φ_п = 5.01 эВ (для данного задания)
4. Находим работу выхода из n+-Si*: Φ_м = χ = 4.15 эВ (для данного задания)
5. Uмп = -0.86 эВ или-0.86В
6. Qss = 1.6*10 -8 Кл/см 2
7. L_пор0 = 0.91 мкм
8. C_s = 3*10 -8 Кл/см 2 (при расчете емкости, толщину диэлектрика обязательно следует перевести в сантиметры: 1нм = 10 -7 см, 1мкм = 10 -4 см
9. Для n-канала (то есть р-подложки) Q_sn = -1.5*10 -8 Кл/см 2
10. U_d= -0.033В
11. Uпор₀= -0.86 -0.033 + 0.6 = -0.3В
12. Для определения типа канала транзистора необходимо построить проходную ВАХ прибора I_c(U_зи), как показано на рисунке 3. Видно, что канал встроенный

Рисунок 3 – Проходная ВАХ n-МОПТ cо встроенным каналом Задача2 Найти пороговое напряжение для исходной структуры, если затвор Al ( Ф_м (Al) = 4.1 эВ, χ_п (Si) = 4.15 эВ, Eg (Si) = 1.12 эВ ) РЕШЕНИЕ: Отличие от предыдущей задачи заключается только в Uмп В данном случае: U_мп = -0.91 В. Таким образом пороговое напряжение МОП-структуры с алюминиевым затвором Uпор = -0.3 + (-0.91+0.86) = -0.35 В ЗАДАЧА3 При исходных данных Задачи 1 рассчитать пороговое напряжение при Uпи= — 2В. МЕТОДИКА РЕШЕНИЯ

1. находим Lпор(U) = Lпор₀ *((2φ_п-U_пи)/(2φ_п )) 0.5 = 1.9 мкм
2. находим ΔQ_sn=-e*N_подл*ΔL_пор = -1.6*10 -8 Кл/см 2
3. находим ΔUпор = — ΔQ_sn/Cs = 0.53 В
4. Uпор=Uпор₀ + ΔUпор = 0.23 В

ЗАДАЧА4 При исходных данных Задачи 1 (Uпи=0) обеспечить пороговое напряжение U_ПОР.0 = +1 В. МЕТОДИКА РЕШЕНИЯ

1. Надо увеличить порогоговое напряжение на +1 — (-0,3) = 1,3 В. Если затвор сделать из р + — Si, мы выиграем +1,12 В. Остается примерно 0,2 В.
2. Подлегируем поверхность акцепторами (мелко).

ΔUпор = — ΔQ_sn/Cs = e*ΔN*Δx/Cs Требуемая доза подлегирования D= ΔN*Δx = ΔUпор*Сs/e = 3.75*10 10 см -3 Можно взять мкм пор = 1 мкм, тогда ΔN = 3.75*10 15 см -3 Для увеличения порогового напряжения nМОП-транзистора надо вводить примесь р-типа

2.11. Пороговое напряжение мдп транзистора

Пороговым напряжением МДП транзистора называется такое напряжение на затворе, при котором концентрация подвижных носителей, индуцированных в инверсном канале под затвором, равна концентрации примеси в подложке. Принимается, что проводимость в индуцированном канале появляется после того, как потенциал на поверхности достигнет потенциала инверсии. Для n-канального транзистора на p-подложке с концентрацией акцепторовпотенциал инверсиии (2.9) примет вид

.

Здесь – заряд подвижных носителей в канале, а– заряд акцепторов:

где – ширина ОПЗ под инверсным каналом,– диэлектрическая проницаемость кремния в отличие отдля.

Обычно пренебрегают зависимостью заряда поверхностных состояний от поверхностного потенциала, считая, что этот заряд уже учтен в напряжении плоских зон. Используя (17) с , можно получить

.

Пороговое напряжение

(2.11)

Линейная зависимость описывается емкостью подложки

, где — ширина ОПЗ в подложке

(2.12)

— линейный коэффициент влияния подложки.

2.12. Вольт-амперная характеристика мдп транзистора

Выражение для дрейфового тока стока может быть получено интегрированием исходного равенства

в пределах от на истоке придона стоке при– длина канала,– ширина канала. В таком выражении– часть поверхностного потенциала, создаваемая стоковым напряжением. Стоковый потенциал создает тянущее поле для электронов и одновременно уменьшает заряд электронов вдоль канала тем, что увеличивает потенциал канала и поэтому уменьшает напряжение между затвором и каналом. Кроме этого, потенциал канала увеличивает заряд акцепторов под каналом.

, .

Используя понятие линейного коэффициента влияния подложки , имеем

,

здесь определяется уже выражением (2.12). Интегрирование дает в крутой области

(2.13)

Граница крутой и пологой областей, когда вблизи стока

и в пологой области

, (2.14)

удельная крутизна

Подложка действует вполне аналогично затвору в полевом транзисторе с управляющим p-nпереходом. Обратное напряжение на переходе исток-подложкарасширяет ОПЗ под каналом и подзапирает канал, индуцированный полем основного, изолированного затвора.

На рис. 26 показаны типичные вольтамперные характеристики МОП транзистора в крутой и пологой областях.

2.13. Конструктивные разновидности мдп транзисторов

За сорокалетие развития технологии МДП схем конструкции и технология МДП транзисторов претерпели существенные изменения. Сформировались несколько самостоятельных научно-технических направлений разработки и применения МДП транзисторов. Среди них:

• Мощные транзисторы,
• Элементы сверхбольших интегральных схем,
• Элементы запоминающих устройств.

Некоторые конструктивно-технологические направления требуют хотя бы краткого обсуждения, поскольку они представляют общетехнический интерес. Рис. 26.Типичные ВАХ МОП транзистора в крутой и пологой областях Параметры транзистора: = 0.1 мА/В 2 , = 0.7 В,= 0.5 В, = 0.3.

2.13.1. Мощные моп транзисторы

Мощные МОП транзисторы составляют отдельное направление силовой полупроводниковой электроники. На рис.27 представлена структура мощного вертикального IGBJтранзистора, который представляет собой объединение входного транзистора с изолированным затвором и выходного биполярного транзистора, ток истока входного транзистора подается в базу мощного выходного транзистора. Малая длина канала, большая крутизна и ток сочетаются с большим допустимым напряжением на коллекторе и стоке, т.к. область обеднения распространяется в слаболегированнуюn–область и большое напряжение на стоке не вызывает смыкания канала и лавинного пробоя. Рис. 27. Структура и эквивалентная схема IGBJ транзистора E, S — эмиттер BJ и исток IG транзистора; C, D — коллектор BJ и сток IG транзистора; G – затвор IG транзистора.

Пороговое напряжение мдп транзистора

В домашних условиях возможно измерить, приблизительно, основные параметры ПТ и подобрать их. Для этого необходимо иметь как минимум два прибора, одним из которых измеряют ток, а другим напряжение, и два источника питания. Собрав схему (1, 2) вначале необходимо резистором R1 установить нулевое напряжение на затворе VT1, движок R1 в нижнем положение резистором R2 установить напряжение сток-исток Uси VT1 по справочнику, для проверяемого транзистора, обычно 10-12 вольт. Затем подключают прибор PA2, переведенный в режим измерения тока, в цепь стока и снимают показание, Iс.нач это начальный ток стока, его еще называют током насыщения ПТ при заданном напряжение сток-исток и нулевом напряжение затвор-исток. Затем медленно перемещая движок R1 за показанием PA2 и как только ток упадет практически до нуля (10-20 мкА) измерить напряжение между затвором и истоком, данное напряжение будет напряжением отсечки Uотс..

Чтобы измерить крутизну характеристики SмА/В ПТ нужно снова устанавливают нулевое напряжение Uзи резистором R1, PA2 покажет Iс.нач. Резистором R1 так же медленно увеличивают напряжение Uзи до одного вольта по PA1, для упрощения расчета, PA2 покажет меньший ток Ic.измер. Если теперь разность двух показаний PA2 разделить на напряжение Uзи получившийся результат будет соответствовать крутизне характеристики:

SмА/В=Iс.нач — Iс.измер/Uзи.

Так проверяются транзисторы с управляющим с p-n переходом и каналом p-типа, для ПТ n-типа нужно поменять полярность включения Uпит на обратное.

Существуют также полевые транзисторы с изолированным затвором. Существуют две разновидности МДП-транзисторов с индуцированным и со встроенным каналами.

Транзисторы первого типа можно использовать только в режиме обогащения. Транзисторы второго типа могут работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения канала. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами или МОП-транзисторами (металл — оксид- полупроводник).

В МОП-транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока и, следовательно, заметный ток стока появляются только при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока (отрицательного при р-канале и положительного при n-канале). Это напряжение называют пороговым (Uпор). Так как появление и рост проводимости индуцированного канала связаны с обогащением его основными носителями заряда, эти транзисторы могут работать только в режиме обогащения.

В МОП — транзисторах со встроенным каналом проводящий канал, изготавливается технологическим путем, образуется при напряжении на затворе равном нулю. Током стока можно управлять, изменяя значение и полярность напряжения между затвором и истоком. При некотором положительном напряжении затвор — исток транзистора с р — каналом или отрицательном напряжении транзистора с n -каналом ток в цепи стока прекращается. Это напряжение называют напряжением отсечки (Uотс ). МОП — транзистор со встроенным каналом может работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения канала основными носителями заряда.

Работа МОП-транзистора с индуцированным p-каналом. При отсутствии смещения (Uзи = 0; Uси = 0) приповерхностный слой полупроводника обычно обогащен электронами. Это объясняется наличием положительно заряженных ионов в пленке диэлектрика, что является следствием предшествующего окисления кремния и фотолитографической его обработки.

Напряжение на затворе, при котором индуцируется канал, называют пороговым напряжением Unoр. Так как канал возникает постепенно, по мере увеличения напряжения на затворе, то для исключения неоднозначности в его определении обычно задается определенное значение тока стока, при превышении которого считается, что потенциал затвора достиг порогового напряжения Unop.

В транзисторах с встроенным каналом ток в цепи стока будет протекать и при нулевом напряжении на затворе. Для прекращения его необходимо к затвору приложить положительное напряжение (при структуре с каналом p-типа), равное или большее напряжения отсечки Uотc.

При приложении отрицательного напряжения канал расширяется и ток увеличивается. Таким образом, МДП-транзисторы с встроенными каналами работают как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения.

Иногда в структуре полевого МОП транзистора между истоком и стоком присутствует встроенный диод. На работу транзистора диод не влияет, поскольку в схему он включен в обратном направлении. В последних поколениях мощных МОП-транзисторов встроенный диод используется для защиты транзистора.

Основными параметрами полевых транзисторов считаются;

1. Начальный ток стока Iс.нач — ток стока при напряжении между затвором и истоком, равном нулю. Измеряют при заданном для транзистора данного типа значении постоянного напряжения Uси.

2. Остаточный ток стока Iс.ост — ток стока при напряжении между затвором и истоком, превышающем напряжение отсечки.

3. Ток утечки затвора Iз.ут — ток затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой.

4. Обратный ток перехода затвор — сток Iзс.о — ток, протекающий в цепи затвор — сток при заданном обратном напряжении между затвором и стоком и разомкнутыми остальными выводами.

5. Обратный ток перехода затвор — исток Iзи.о — ток, протекающий в цепи затвор — исток при заданном обратном напряжении между затвором и истоком и разомкнутыми остальными выводами.

6. Напряжение отсечки Uотс — напряжение между затвором и истоком транзистора с р-n переходом или изолированным затвором, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения (обычно 10 мкА).

7. Пороговое напряжение полевого транзистора Uпор — напряжение между затвором и истоком транзистора с изолированным затвором, работающего в режиме обогащения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения (обычно 10 мкА).

8. Крутизна характеристик полевого транзистора S — отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком.

Для этих измерений необходимо ввести еще и переключатель полярности напряжения между затвором и истоком. Комутируя этим переключателем полярность подаваемую на затвор проверяемого транзистора измеряют параметры ПТ. Процедура довольно долгая, а как быть если в наличие только один тестер. И в этом случае возможно проверить полевой транзистор, процесс проверки тот же что и описан выше, но только еще более длительный, так как нужно будет сделать очень много переключений и других операций. Такой способ для проверки и подборки ПТ не пригоден при покупке в магазинах и радиорынках.

Как известно собрать вольтметр постоянного тока намного проще чем миллиамперметр, имея одну и туже головку, а комбинированные приборы есть у каждого радиолюбителя, даже у начинающих. Собрав прибор по схеме приведенной на рисунке, можно значительно облегчить процедуру проверки ПТ во много раз. Данный прибор могут сделать даже начинающие радиолюбители не имеющие опыта работы с ПТ. Прибор питается от 9 вольт от стабилизированного преобразователя напряжения собранной по схеме из журнала Радио (3).

Принцип измерений параметров ПТ. Установив переключатели SA1-SA3, SB2 в нужное полжения, в зависимости от типа и канала проверяемого ПТ, подключают любой тестер, стрелочный или цифровой (предпочтительней), в гнезда XS1, XS2, переведенном в режим измерения постоянного тока, к гнездам XS3 подключить в соответствие с цоколем ПТ и включают прибор переключателем SA4.

Все компоненты прибора установлены в подходящий корпус, размер которого зависит от размеров компонентов и примененной головки PA1. На лицевой стороне расположены PA1, SA1-SA3, XS1-XS2, R1, R2 с соответствующими надписями обозначающими функции. Преобразователь установлен в корпусе прибора, из которого выведен разъем для подключения к батарейке GB1.

Детали пробника

PA1 — микроамперметр типа М4200 с током 300 мкА, со шкалой на 15 В, возможно использовать другие, от его габаритов завесит размер корпуса, при подборе R3, R4 при настройке, R1, R2 — СП4-1, СПО-1 сопротивлением от 4,7 кОм до 47 кОм, R3, R4 — МЛТ-0,25, С2-23 и другие. Переключатели SA1 — 3П12НПМ, 12П3Н ,ПГ2, ПГ3, П2К, SB1 — П2К. Тумблеры SA2 — SA4 — МТ-1, П1Т-1-1 и другие.

Трансформатор ТР1 в преобразователе выполнен в ферритовом броневом магнитопроводе внешним диаметром 30 и высотой 18 мм. Обмотка I содержит 17 витков провода ПЭЛ 1,0, обмотка II — 2х40 витков провода ПЭЛ 0,23. Возможно использовать другой сердечник с соответствующим перерасчетом.

Транзисторы VT1 — КТ315, КТ3102, VT2, VT3 — КТ801А, КТ801Б, VT4 — КТ805Б и другие, диоды VD1, VD2 — КД522, КД521, VD4-VD7 — КД105, КД208, КД209 или диодный мост КЦ407, микросхема DD1 — К555ЛН1, К155ЛН1.

В качестве XS3 используется кроватка для микросхем установленная на печатной плате и распаянная под тип ПТ (расположение выводов) для того чтобы не загибать выводы ПТ или другой разъем распаянный соответствующим образом. Монтаж объемный. На дно (задняя крышка) установлена плата преобразователя.

Настройка испытателя полевых транзисторов

Налаживание прибора практически не требуется. Правильно собранный преобразователь, из исправных деталей, начинает работать сразу, выходное напряжение 15 В устанавливают подстроечным резистором R4 контролируя напряжение вольтметром.

Затем движки резисторов R1, R2 устанавливают в нижнее по схеме положение, что соответствует нулевым напряжениям. Переключатель SA3 переводят в положение 1,5 В, а SA2 в положение Uзи. Подключив контрольный вольтметр к движку R1 перемещают его контролируя показание PA1 по контрольному вольтметру и если оно отличается подбирают сопротивление резистора R3. После подбора резистора R3 переключают SA3 в положение 15 В и далее перемещают движок R3 контролируя напряжение и если оно также не соответствует подбирают R4. Таким образом настраивают внутренний вольтметр прибора. После всех настроек закрывают заднюю крышку, прибор готов к работе.

Как показывает практика, для радиолюбителя важны следующие положения:

1. Проверить исправность ПТ. Для этого обычно достаточно убедиться, что параметры его стабильны, не «плывут» и находятся в пределах справочных данных.

2. Выбрать по определенным характеристикам из имеющихся у радиолюбителя всего нескольких экземпляров ПТ те, что больше подходят для применения в собираемой схеме. Обычно здесь работает качественный принцип «больше — меньше».

Например, нужен полевой транзистор с большей S или меньшим напряжением отсечки. И из нескольких экземпляров выбирают тот, у которого лучше (больше или меньше) выбранный показател. Таким образом, высокая точность измеряемых параметров на практике часто не столь важна, как можно было бы думать.
Тем не менее, предлагаемый прибор позволяет с достаточно высокой точностью проверить работоспособность и важнейшие характеристики ПТ.

Работа с прибором

Вставляют полевой транзистор в разъем XS3 в соответствие с цоколем проверяемого ПТ. Включив прибор резистором R2 устанавливают напряжение сток-исток Uси указанное в справочнике для данного транзистора. Переводят SA2 в положение Uзи, а SA3 в 1,5 В. Нажимают кнопку SB1 «Измер.» при этом тестер PA2 покажет какое то значение, например 0,8 мА на пределе 1 мА, это значение указывает начальный ток стока Iс.нач. Записывают это значение для данного ПТ. Затем медленно перемещают движок R1 «Uзи» контролируя при этом напряжение на затворе по PA1, напряжение Uзи увеличивают до тех пор пока ток стока Iс измеряемый тестером PA2 не уменьшится до минимального заданного как правило 10-20 мкА, переключая PA2 на пределы ниже. Как только ток уменьшится до заданного значения, снимают показание с PA1 (например 0,9 В), это напряжение является напряжением отсечки ПТ Uотс., его так же записывают.

Для измерения крутизну характеристики SмА/В устанавливают тестер PA2 на тот предел который был установлен первоначально для данного транзистора и уменьшают Uзи до нуля, PA2 покажет Iс.нач. Резистором R1 медленно увеличивают Uзи до 1 В по PA1, PA2 покажет меньший ток Iс.измер. Если теперь вычесть из Iс.нач Iс.измер это и будет соответствовать численному значению крутизны характеристики SмА/В ПТ. Цифровой тестер с автоматическим изменением пределов предпочтительнее.

Таким образом можно будет подобрать ПТ с близкими параметрами из одной партии с одинаковыми или разными буквенными индексами, ведь разные индексы указывают лишь на разброс параметров ПТ, так КП303А имеют Uотс. — 0,3-3,0 В, SмА/В — 1-4, а КП303В Uотс. — 1,0 — 4,0 В, SмА/В — 2-4, но некоторые ПТ с разными индексами могут иметь одинаковые значения при заданом напряжение сток-исток Uси. что не мало важно при подборке ПТ.

Измерение параметров полевых транзисторов МОП-типа с встроенным каналом, режим обеднения. Переключателем SA1 устанавливают тип канала, SB2 устанавливают в режим обеднения, резисторы R1, R2 устанавливают в нулевые положения, подключают к гнездам XS1 и XS2 тестер переведенный в режим для измерения тока на предел который указан в справочнике для данного ПТ. Переводят SA2 в положение Uси, а SA3 в положение 15 В. Вставляют ПТ в разъем XS3 в соответствие с цоколем проверяемого ПТ. У двузатворных или с подложкой ПТ второй затвор, подложку подключают к контакту корпус «К» разъема XS3. Резистором R2 устанавливают напряжение сток-исток Uси указанное в справочнике для данного транзистора. Затем переводят SA2 в положение Uзи, а SA3 в положение 1,5 В. PA2 переводят в режим измерения минимального тока. Включив прибор нажимают кнопку SB1, микроамперметр PA2 покажет какой-то ток это и будет начальный ток стока Iс.нач.

При увеличение напряжения Uзи ток стока Iс будет уменьшатся и при определенном значение станет минимальным около 10 мкА, снятое показания с РА2 будет напряжением отсечки Uотс.

Для проверки транзистора в режиме обогащения переключатель SB2 переводят в положение «Обогащения» и увеличивают напряжение на затворе Uзи при этом ток стока Iс будет увеличиваться.

Как было сказано выше, МОП-транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения. Измерение параметров полевых транзисторов МОП-типа с индуцированным каналом. Переключателем SA1 устанавливают тип канала, SB2 устанавливают в режим обогащения, резисторы R1, R2 устанавливают в нулевые положения, подключают к гнездам XS1 и XS2 тестер переведенный в режим для измерения тока на предел который указан в справочнике для данного ПТ. Переводят SA2 в положение Uси, а SA3 в положение 15 В. Вставляют ПТ в разъем XS3 в соответствие с цоколем проверяемого ПТ.

У двузатворных или с подложкой ПТ второй затвор, подложку подключают к контакту корпус «К» разъема XS3. Резистором R2 устанавливают напряжение сток-исток Uси указанное в справочнике для данного транзистора. Затем переводят SA2 в положение Uзи, а SA3 в положение 1,5 В. PA2 переводят в режим измерения минимального тока. Включив прибор нажимают кнопку SB1. При Uзи = 0 ток стока Iс = 0.

Увеличивая напряжение Uзи следят за изменением тока стока Iс и при некотором напряжение Uзи ток стока начнет увеличиваться это будет пороговым напряжением Uпор. При дальнейшем его увеличение будет увеличиваться ток стока Iс.

Данным прибором можно измерять параметры Iс.нач, Uотс., S ма/В ПТ средней и большой мощности, подав необходимое напряжение на внешний разъем XP1, по справочникам для данного ПТ, с добавлением необходимых пределов измерений внутренним вольтметром PA1, добавив необходимое число резисторов на переключатель SA3. Диоды VD5, VD6 при этом защищают преобразователь от внешнего напряжения.

Если не требуется измерений точных значений Iс.нач и Uотс., а только подобрать ПТ с близкими параметрами, можно вместо PA2 включить индикаторы применяемые в бытовой технике для контроля уровней сигналов, М4762, М68501, М4248, М4223 и подобные, добавив к данным индикаторам переключатель и шунты на разные токи. Все остальные измерения производят по описанному выше методу. Данным прибором пользуюсь уже более шести лет. Он очень помогает при конструирование аппаратуры на полевых транзисторах, где к ним применяются особые требования.

Литература:

1. Простейшие способы проверки исправности электрорадиоэлементов в ремонтных и любительских условиях, стр. 70, 300 практических советов. Бастанов В.Г. — Моск. рабочий 1986 г.
2. Измерение параметров и применение полевых транзисторов, — «Радио», 1969, №03, стр. 49-51
3. Стабилизированный преобразователь напряжения — Радио №11 1981 стр. 61 (за рубежом).
4. Занимательные эксперименты: некоторые возможности полевого транзистора — «Радио», номер 11, 1998г. Б.Иванов
5. Приставка для проверки транзисторов. Радио № 1 – 2004, стр. 58-59.
6. Испытатель полевых транзисторов — А. П. Кашкаров, А. Л. Бутов — Радиолюбителям схемы для дома стр. 242-246, МРБ-1275 2008г.
7. Измерение параметров полевых транзисторов, — «Радио», 2007, №09, стр. 24-26.
8. Меерсон А.М. Радиоизмерительная техника (3-е изд.). МРБ — Выпуск 0960 стр. 363-367. (1978)

Конструкцию прислал на конкурс:Слинченков Александр Васильевич г. Озерск, Челябинская обл.

Обсудить статью ПРОБНИК ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Часть 2. Полевой транзистор с изолированным затвором MOSFET

Полевой транзистор с изолированным затвором – это транзистор, затвор которого электрически изолирован от проводящего канала полупроводника слоем диэлектрика. Благодаря этому, у транзистора очень высокое входное сопротивление (у некоторых моделей оно достигает 10 17 Ом).

Принцип работы этого типа полевого транзистора, как и полевого транзистора с управляющим PN-переходом, основан на влиянии внешнего электрического поля на проводимость прибора.

В соответствии со своей физической структурой, полевой транзистор с изолированным затвором носит название МОП-транзистор (Металл-Оксид-Полупроводник), или МДП-транзистор (Металл-Диэлектрик-Полупроводник). Международное название прибора – MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).

МДП-транзисторы делятся на два типа – со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В каждом из типов есть транзисторы с N–каналом и P-каналом.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом.

На основании (подложке) полупроводника с электропроводностью P-типа (для транзистора с N-каналом) созданы две зоны с повышенной электропроводностью N + -типа. Все это покрывается тонким слоем диэлектрика, обычно диоксида кремния SiO₂. Сквозь диэлектрический слой проходят металлические выводы от областей N + -типа, называемые стоком и истоком. Над диэлектриком находится металлический слой затвора. Иногда от подложки также идет вывод, который закорачивают с истоком

Работа МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом N-типа.

Подключим напряжение любой полярности между стоком и истоком. В этом случае электрический ток не пойдет, поскольку между зонами N + находиться область P, не пропускающая электроны. Далее, если подать на затвор положительное напряжение относительно истока U_зи, возникнет электрическое поле. Оно будет выталкивать положительные ионы (дырки) из зоны P в сторону подложки. В результате под затвором концентрация дырок начнет уменьшаться, и их место займут электроны, притягиваемые положительным напряжением на затворе.

Когда U_зи достигнет своего порогового значения, концентрация электронов в области затвора превысит концентрацию дырок. Между стоком и истоком сформируется тонкий канал с электропроводностью N-типа, по которому пойдет ток I_си. Чем выше напряжение на затворе транзистора U_зи, тем шире канал и, следовательно, больше сила тока. Такой режим работы полевого транзистора называется режимом обогащения.

Принцип работы МДП-транзистора с каналом P–типа такой же, только на затвор нужно подавать отрицательное напряжение относительно истока.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора с индуцированным каналом.

ВАХ полевого транзистора с изолированным затвором похожи на ВАХ полевого транзистора с управляющим PN-переходом. Как видно на графике а), вначале ток I_си растет прямопропорционально росту напряжения U_си. Этот участок называют омическая область (действует закон Ома), или область насыщения (канал транзистора насыщается носителями заряда ). Потом, когда канал расширяется почти до максимума, ток I_си практически не растет. Этот участок называют активная область.

Когда U_си превышает определенное пороговое значение (напряжение пробоя PN-перехода), структура полупроводника разрушается, и транзистор превращается в обычный проводник. Данный процесс не восстановим, и прибор приходит в негодность.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом.

Физическое устройство МДП-транзистора со встроенным каналом отличается от типа с индуцированным каналом наличием между стоком и истоком проводящего канала.

Работа МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом N-типа.

Подключим к транзистору напряжение между стоком и истоком Uси любой полярности. Оставим затвор отключенным (U_зи = 0). В результате через канал пойдет ток I_си, представляющий собой поток электронов.

Далее, подключим к затвору отрицательное напряжение относительно истока. В канале возникнет поперечное электрическое поле, которое начнет выталкивать электроны из зоны канала в сторону подложки. Количество электронов в канале уменьшиться, его сопротивление увеличится, и ток I_си уменьшиться. При повышении отрицательного напряжения на затворе, уменьшается сила тока. Такое состояние работы транзистора называется режимом обеднения.

Если подключить к затвору положительное напряжение, возникшее электрическое поле будет притягивать электроны из областей стока, истока и подложки. Канал расшириться, его проводимость повыситься, и ток I_си увеличиться. Транзистор войдет в режим обогащения.

Как мы видим, МДП-транзистор со встроенным каналом способен работать в двух режимах — в режиме обеднения и в режиме обогащения.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора со встроенным каналом.

Преимущества и недостатки полевых транзисторов перед биполярными.

Полевые транзисторы практически вытеснили биполярные в ряде применений. Самое широкое распространение они получили в интегральных схемах в качестве ключей (электронных переключателей)

Главные преимущества полевых транзисторов

• Благодаря очень высокому входному сопротивлению, цепь полевых транзисторов расходует крайне мало энергии, так как практически не потребляет входного тока.
• Усиление по току у полевых транзисторов намного выше, чем у биполярных.
• Значительно выше помехоустойчивость и надежность работы, поскольку из-за отсутствия тока через затвор транзистора, управляющая цепь со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока.
• У полевых транзисторов на порядок выше скорость перехода между состояниями проводимости и непроводимости тока. Поэтому они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные.

Главные недостатки полевых транзисторов

• У полевых транзисторов большее падение напряжения из-за высокого сопротивления между стоком и истоком, когда прибор находится в открытом состоянии.
• Структура полевых транзисторов начинает разрушаться при меньшей температуре (150С), чем структура биполярных транзисторов (200С).
• Несмотря на то, что полевые транзисторы потребляют намного меньше энергии, по сравнению с биполярными транзисторами, при работе на высоких частотах ситуация кардинально меняется. На частотах выше, примерно, чем 1.5 GHz, потребление энергии у МОП-транзисторов начинает возрастать по экспоненте. Поэтому скорость процессоров перестала так стремительно расти, и их производители перешли на стратегию «многоядерности».

При изготовлении мощных МОП-транзисторов, в их структуре возникает «паразитный» биполярный транзистор. Для того, чтобы нейтрализовать его влияние, подложку закорачивают с истоком. Это эквивалентно закорачиванию базы и эмиттера паразитного транзистора. В результате напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора никогда на достигнет необходимого, чтобы он открылся (около 0.6В необходимо, чтобы PN-переход внутри прибора начал проводить).

Однако, при быстром скачке напряжения между стоком и истоком полевого транзистора, паразитный транзистор может случайно открыться, в результате чего, вся схема может выйти из строя.

Важнейшим недостатком полевых транзисторов является их чувствительность к статическому электричеству. Поскольку изоляционный слой диэлектрика на затворе чрезвычайно тонкий, иногда даже относительно невысокого напряжения бывает достаточно, чтоб его разрушить. А разряды статического электричества, присутствующего практически в каждой среде, могут достигать несколько тысяч вольт.

Поэтому внешние корпуса полевых транзисторов стараются создавать таким образом, чтоб минимизировать возможность возникновения нежелательного напряжения между электродами прибора. Одним из таких методов является закорачивание истока с подложкой и их заземление. Также в некоторых моделях используют специально встроенный диод между стоком и истоком. При работе с интегральными схемами (чипами), состоящими преимущественно из полевых транзисторов, желательно использовать заземленные антистатические браслеты. При транспортировке интегральных схем используют вакуумные антистатические упаковки

Условное графическое обозначение полевых транзисторов

На принципиальных схемах можно встретить обозначения полевого транзистора той или иной разновидности.

Чтобы не запутаться и получить наиболее полное представление о том, какой всё-таки транзистор используется в схеме, сопоставим условное графическое обозначение униполярного транзистора и его отличительные свойства, и особенности.

Независимо от разновидности полевого транзистора он имеет три вывода. Один из них называется Затвор (З). Затвор является управляющим электродом, на него подают управляющее напряжение. Следующий вывод зовётся Исток (И). Исток аналогичен эмиттеру у биполярных транзисторов. Третий вывод именуется Сток (С). Сток является выводом, с которого снимается выходной ток.

На зарубежных электронных схемах можно увидеть следующее обозначение выводов униполярных транзисторов:

G – затвор (от англ. – Gate «затвор», «ворота»);

S – исток (от англ. – Source «источник», «начало»);

D – сток (от англ. – Drain «отток», «утечка»).

Зная зарубежные обозначения выводов полевого транзистора, будет легко разобраться в схемах импортной электроники.

Обозначение полевого транзистора с управляющим p-n – переходом (J-FET).

Итак. Транзистор с управляющим p-n – переходом обозначается на схемах так:

n-канальный J-FET

p-канальный J-FET

В зависимости от типа носителей, которые используются для формирования проводящего канала (область, через которую течёт регулируемый ток), данные транзисторы могут быть n-канальные и p-канальные. На графическом обозначении видно, что n-канальные изображаются со стрелкой, направленной внутрь, а p-канальные наружу.

Обозначение МДП-транзистора.

Униполярные транзисторы МДП типа (MOSFET) имеют немного иное условное графическое обозначение, нежели J-FET’ы c управляющим p-n переходом. MOSFET’ы также могут быть как n-канальными, так и p-канальными.

MOSFET’ы существуют двух типов: со встроенным каналом и индуцированным каналом.

Разница в том, что транзистор с индуцированным каналом открывается только при подаче на затвор положительного или только отрицательного порогового напряжения. Пороговое напряжение (U_пор) – это напряжение между выводом затвора и истока, при котором полевой транзистор открывается и через него начинает протекать ток стока (I_c).

Полярность порогового напряжения зависит от типа канала. Для мосфетов с p-каналом к затвору необходимо приложить отрицательное «-» напряжение, а для тех, что с n-каналом, положительное «+» напряжение. Мосфеты с индуцированным каналом ещё называют транзисторами обогащённого типа. Поэтому, если услышите, что говориться о мосфете обогащенного типа – знайте, это транзистор с индуцированным каналом. Далее показано его условное обозначение.

n-канальный MOSFET

p-канальный MOSFET

Основное отличие МДП-транзистора с индуцированным каналом от полевого транзистора со встроенным каналом заключается в том, что он открывается только при определённом значении (U пороговое) положительного, либо отрицательного напряжения (зависит от типа канала – n или p).

Транзистор же со встроенным каналом открывается уже при «0», а при отрицательном напряжении на затворе работает в обеднённом режиме (тоже открыт, но пропускает меньше тока). Если же к затвору приложить положительное «+» напряжение, то он продолжит открываться и перейдёт в так называемый режим обогащения — ток стока будет увеличиваться. Данный пример описывает работу n-канального mosfet’а со встроенным каналом. Их ещё называют транзисторами обеднённого типа. Далее показано их условное изображение на схемах.

n-канальный МДП транзистор со встроенным каналом

p-канальный МДП транзистор со встроенным каналом

На условном графическом обозначении отличить транзистор с индуцированным каналом от транзистора со встроенным каналом можно по разрыву вертикальной черты.

Иногда в технической литературе можно увидеть изображение МОП-транзистора с четвёртым выводом, который является продолжением линии стрелки указывающей тип канала. Так вот, четвёртый вывод – это вывод подложки (substrate). Такое изображение мосфета применяется, как правило, для описания дискретного (т.е. отдельного) транзистора и используется лишь как наглядная модель. В процессе производства подложку обычно соединяют с выводом истока.

MOSFET с выводом подложки (substrate)

У мощных транзисторов МДП есть одна особенность – это наличие «паразитного» биполярного транзистора. Чтобы предотвратить работу такого «паразитного» элемента применяется следующая хитрость: Вывод истока (S) соединяют с подложкой (substrate). При этом происходит соединение выводов база-эмиттер в структуре «паразитного» транзистора и он находится в закрытом состоянии, и не мешает нормальной работе мосфета. На условном обозначении эта особенность указывается с помощью соединения вывода истока МДП-транзистора и стрелкой, которая указывает тип канала.

Обозначение мощного МОП-транзистора

В результате соединения истока и подложки в структуре полевого mosfet’а между истоком и стоком образуется встроенный диод. На работу прибора данный диод не влияет, поскольку в схему он включен в обратном направлении. В некоторых случаях, встроенный диод, который образуется из-за технологических особенностей изготовления мощного MOSFET’а можно использовать на практике. В последних поколениях мощных МОП-транзисторов встроенный диод используется для защиты самого элемента.

MOSFET со встроенным диодом

Встроенный диод на условном обозначении мощного МДП-транзистора может и не указываться, хотя реально такой диод присутствует в любом мощном полевике.

СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПОРОГОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ ДМОП-ТРАНЗИСТОРОВ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Гаврушко В.В., Ласткин В.А., Фирсова Т.А.

Исследовано влияние концентрации примеси в подложке и типа легирующей примеси поликремниевого затвора на пороговое напряжение кремниевых ДМОП-транзисторов с индуцированным n -каналом. Показано, что увеличение средней концентрации примеси в подложке на 50% позволило повысить пороговое напряжение транзистора более чем на 30%. Однако при этом наблюдался рост сопротивления канала транзистора, что повлекло за собой уменьшение тока стока примерно на 25%. Установлено влияние типа проводимости поликремниевого затвора на величину порогового напряжения транзистора. Показано, что замена фосфора на бор при легировании поликремниевого затвора позволяет увеличить пороговое напряжение примерно на 25%. При этом ток стока транзисторов не изменялся, что может представлять практический интерес при разработке помехозащищенных ключей на полевых транзисторах.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Гаврушко В.В., Ласткин В.А., Фирсова Т.А.

ВЛИЯНИЕ КВАНТОВАНИЯ НОСИТЕЛЕЙ В ПОЛИКРЕМНИЕВОМ ЗАТВОРЕ НА СДВИГ ПОРОГОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ МДП-ТРАНЗИСТОРА

Кремниевые дмдп-транзисторы с изолированным затвором и индуцированным р-каналом
ЛАТЕРАЛЬНАЯ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ НАНОСТРУКТУР АМОРФНОГО КРЕМНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИЛИЦИДА НИКЕЛЯ
АНАЛИЗ СРЕДСТВАМИ TCAD ТОКОВ УТЕЧКИ 45 НМ МОП ТРАНЗИСТОРНОЙ СТРУКТУРЫ С HIGH-K ДИЭЛЕКТРИКОМ

Влияние подзатворного диэлектрика на вольт-амперные характеристики транзистора с каналом на основе графеносодержащей пленки

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

METHOD FOR INCREASING THRESHOLD VOLTAGE OF SILICON DMOS TRANSISTORS

The effect of the impurity concentration in the substrate and the type of dopant in a polysilicon gate on the threshold voltage of silicon DMOS transistors with an induced n-channel has been investigated. It is shown that an increase in the average impurity concentration in the substrate by 50% makes it possible to increase the threshold voltage of the transistor by more than 30%. However, at the same time, an increase in the resistance of the transistor channel is observed, which entails a decrease in the drain current by about 25%. The influence of the conductivity type of the polysilicon gate on the threshold voltage of the transistor has been determined. It is shown that replacing phosphorus with boron when doping a polysilicon gate allows increasing the threshold voltage by about 25%. In this case, the drain current of the transistors does not change, which may be of practical interest in the development of noise-immune switches based on field-effect transistors.

Текст научной работы на тему «СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПОРОГОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ ДМОП-ТРАНЗИСТОРОВ»

УДК 621.382.323 DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2021.4(125).15-18

СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПОРОГОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ ДМОП-ТРАНЗИСТОРОВ

В.В.Гаврушко, В.А.Ласткин*, Т.А.Фирсова*

METHOD FOR INCREASING THRESHOLD VOLTAGE OF SILICON DMOS TRANSISTORS

V.V.Gavrushko, V.A.Lastkin*, T.A.Firsova*

Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого, Gawrushko@mail.natm.ru *ОАО «ОКБ-Планета», Великий Новгород, LastkinVA@okbplaneta.ru

Исследовано влияние концентрации примеси в подложке и типа легирующей примеси поликремниевого затвора на пороговое напряжение кремниевых ДМОП-транзисторов с индуцированным n-каналом. Показано, что увеличение средней концентрации примеси в подложке на 50% позволило повысить пороговое напряжение транзистора более чем на 30%. Однако при этом наблюдался рост сопротивления канала транзистора, что повлекло за собой уменьшение тока стока примерно на 25%. Установлено влияние типа проводимости поликремниевого затвора на величину порогового напряжения транзистора. Показано, что замена фосфора на бор при легировании поликремниевого затвора позволяет увеличить пороговое напряжение примерно на 25%. При этом ток стока транзисторов не изменялся, что может представлять практический интерес при разработке помехозащищенных ключей на полевых транзисторах.

Ключевые слова: ДМОП-транзистор, индуцированный канал, пороговое напряжение, легирующая примесь, поликремниевый затвор

Для цитирования: Гаврушко В.В., Ласткин В.А., Фирсова Т.А. Способ повышения порогового напряжения кремниевых ДМОП-транзисторов // Вестник НовГУ. Сер.: Технические науки. 2021. №4( 125). С. 15-18. DOI: https://doi. org/10.34680/2076-8052.2021.4(125). 15-18

The effect of the impurity concentration in the substrate and the type of dopant in a polysilicon gate on the threshold voltage of silicon DMOS transistors with an induced n-channel has been investigated. It is shown that an increase in the average impurity concentration in the substrate by 50% makes it possible to increase the threshold voltage of the transistor by more than 30%. However, at the same time, an increase in the resistance of the transistor channel is observed, which entails a decrease in the drain current by about 25%. The influence of the conductivity type of the polysilicon gate on the threshold voltage of the transistor has been determined. It is shown that replacing phosphorus with boron when doping a polysilicon gate allows increasing the threshold voltage by about 25%. In this case, the drain current of the transistors does not change, which may be of practical interest in the development of noise-immune switches based on field-effect transistors.

Keywords: DMOS transistor, induced channel, threshold voltage, doping impurity, polysilicon gate

For citation: Gavrushko V.V., Lastkin V.A., Firsova T.A. Method for increasing the threshold voltage of silicon DMOS transistors // Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences. 2021. №4(125). P.15-18. DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2021.4(125).15-18

МДП-транзисторы находят широкое применение в современной энергетической электронике. Главные области применения мощных МДП-транзисторов — электрические приводы переменного тока, преобразователи частоты для электротехнических установок, источники вторичного электропитания и т. п. [1]. По сравнению с другими полупроводниковыми приборами, такими как биполярные транзисторы и тиристоры, они обладают малыми временами переключения (1-10 нс против 1 мкс у биполярных приборов) и вследствие этого малыми потерями на переключение, а также характеризуются более высокими рабочими напряжениями и температурами.

Наибольшую популярность среди МДП-транзисторов получили транзисторы с каналом n-типа в силу большей подвижности носителей заряда в канале. Среди них в последнее время в качестве эффективных ключей хорошо зарекомендовали себя вертикальные ДМДП-структуры (или ДМОП-транзисторы), где сток транзистора находится с обратной стороны кристалла (рис.1). Канал в таких транзисторах создаётся методом двойной диффузии в одно и то же окно: сначала формируется р-карман (подложка), а затем п+-карман (область истока) [2]. Как видно из рис.1,

ток внутри ДМОП-транзистора сначала протекает горизонтально, а затем вертикально — по эпитакси-альному слою (области дрейфа) стока. Современные ДМОП-структуры имеют многоячеистую (многоканальную) конструкцию, где каждая ячейка представляет собой отдельный элементарный полевой транзистор. Все ячейки соединяются между собой параллельно алюминиевой металлизацией.

Рис.1. Вид поперечного сечения элементарной ячейки вертикального ДМДП-транзистора с п-каналом

Как показано на рис.1, канал транзистора образуется в зазоре между двумя карманами р- и п+-типа путём подачи положительного напряжения на поликремниевый затвор, который лежит непосредственно на тонком подзатворном диэлектрике. При этом ток в канале появляется только при подаче на затвор определённого значения напряжения, которое называется пороговым.

Пороговое напряжение является одним из важнейших электрических параметров полевых транзисторов. При подаче порогового напряжения ипор на затвор в р-кармане (подложке) возникает инверсия при выполнении условия [3]:

где Фпов — поверхностный потенциал, являющийся мерой изгиба энергетических зон, и представляет собой потенциал на кремнии у поверхности, измеренный от уровня Ферми Е^ в собственном кремнии; Ф_р — потенциал Ферми.

Выражение для порогового напряжения МОП-транзистора имеет вид [4]:

где Мпс — плотность поверхностных состояний;

_ ( е51 х -о х 2фр

— ширина обеднённого слоя;