Главная Промышленная автоматика.

жение отличается от напряжения отсечки на величину контактной разности потенциалов ipg между затвором и каналом и-типа:

4ипор+а = -зиотс; зипор = 1а1-зиотс- (16.3)

Отрицательный знак перед величиной t/ является результатом определения напряжения отсечки как напряжения вдоль обедненного слоя относительно затвора, в то время как напряжения (/j, f3„nop и определяются относительно канала.

В литературе встречается ряд ошибочных ссылок на внешнее приложенное напряжение затвор-исток, которое создает обедненный слой, перекрывающий проводящий канал у истока (здесь пороговое напряжение зипор) [1, 7-9], и на внутренний потенциал вдоль полностью обедненного и-слоя (здесь напряжение отсечки U.. Некоторые авторы [4, 5, 10] ссьшаются на напряжение порога 4ипор напряжение отсечки

зиотс- Подобные ссылки берут начало с работы Шокли [3], в которой пренебрегается контактной разностью потенциалов. В этом случае напряжение отсечки равно пороговому: зипор ~ ""иотс- Тогда это пренебрежение было оправдано, так как напряжение отсечки первых транзисторов было значительно больше контактной разности потенциалов. Однако это верно не во всех случаях. По абсолютной величине контактная разность потенциалов фактически больше напряжения отсечки нормально открытых ПТШ, работающих в режиме обогашения, которые используются в логических элементах на ПТ с непосредственными связями.

Напряжение на переходе возникает вследствие контактной разности потенциалов между затвором и каналом. Для р+-затвора ПТ с р-п-переходом контактная разность потенциалов для типичной концентрации примеси Ю" см" составляет около -1,4 В, в то время как для ПТШ - около -0,8 В. Контактная разность потенциалов барьера Шотки почти не зависит от типа металла электрода затвора (например, А1, Ti-Pt-Au, Cr-Pt-Au), так как уровень Ферми GaAs смешен поверхностными состояниями ниже дна зоны проводимости [11] на величину, примерно равную 2/3 величины запре-шенной зоны. Для равномерно легированного и-слоя толщиной а согласно (16.2) напряжение отсечки

4иотс=«/(2е). (16.4)

Однако ионная имплантация, наиболее часто используемая сейчас для легирования, приводит к почти гауссовскому распределению примеси [12,13]

и=иоехр[-(у-Лр+/)2а], (16.5)

для которого

зиотс - 2-(Р -о ар ч/[1 +erf + е~ («р-/У) ]. (16.6)

Здесь величина / представляет собой толщину металлургического перехода ниже поверхности подложки для р-затвора ПТ с р-и-переходом, в 348



то время как для ПТШ / = 0. В зависимости от дозы имплантации и глубины залегания перехода пороговое напряжение «-канальных транзисторов может быть положительным или отрицательным. Транзисторы с положительным пороговым напряжением являются нормально закрыгьшш, т.е. находятся в непроводящем состоянии при нулевом напряжении затвора и используются при положительном напряжении затвора f/j, > 4ипор перевода в состояние проводимости. Таким образом, нормально закрытые транзисторы работают в режиме обогащения, т. е. они переходят в проводящее состояние гфи подаче положительного напряжения на затворе, которое смещает транзистор в прямом направлении. Транзисторы с отрицательным пороговым напряжением являются нормально открытыми, т. е. они находятся в состоянии проводимости при нулевом напряжении затвора и становятся непроводящими при отрицательном напряжении затвора: и жпор которое смещает затвор в область запирания. Таким образом, нормально открытые транзисторы при переключениях работают в режиме обеднения.

16.2.2. СТАТИЧЕСКИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Статические вольт-амперные характеристики (ВАХ) для равномерно легированного канала были рассмотреньт в предположении, что дрейфовая скорость электрона пропорциональна электрическому полю [3]. Согласно этой теории ток насыщается при условии

п>с„„ас = зи- Ципор. (16.7)

когда канал перекрывается у стока. Для ионно-имплантированного канала, как у ПТ с МОП-структурой, соотнощение

/, --Ж[(Щ Ц„„„р) и-ит , (16.8)

K=W,nel(2aL), (16.9)

с учетом уравнения (16.3)

эфф=Р + 2арх№ (16.10)

оказывается более подходящим [8], так как щирина обедненного слоя для больщинства каналов при некотором напряжении на затворе несколько меняется, причем границьт канала смыкаются больще или меньше, в зависимости от максимальной концентращш легирования. Ток также насыщается при условии > = - пор:

/с„ас=К(зи-зипор)- (16.11)

На рис. 16.6 проведено сравнение характеристик транзисторов, определяемых по теории Шокли [3], с характеристиками МОП-транзисторов [см. уравнение (16.8) ].

Однако насыщения тока для > не происходит, так как эффективная длина канала, которая уменьшается с увеличением разности -



гока ния (

Рис. 16.6. Сравнение характеристик транзисторов, определенных по теореме Шокли и согласно

уравнению (16.8) [З]: ----аппроксимадая, предложенная в работе [14]

синас заменяв! действительную длину канал /,3 в уравнении (16.9) . Для случая, когда Ц„ <Ц„тах ток затвора может вызвать сушествен-ное падение напряжения на паразитном сопротивлении истока R, расположенного между контактом истока и началом канала. Это вызывает уменьшение приращения для равных приращений напряжения затвора, что очевидно из уравне-16.11) при замене на Ц„ -Л„/ ЛС/з,).


0,S 0,8

16.2.3. ЭФФЕКТ ГОРЯЧИХ ЭЛЕКТРОНОВ

Для полей напряженностью Е>5 10 В/см, которые существуют в большинстве каналов при f{д,JJ,>0,5 В и Z3 = 1 мкм, электроны проводимости становятся "горячими", т.е. они не сохраняют температурного равновесия с кристаллической решеткой; дрейфовая скорость в этом случае уже не пропорциональна напряженности поля, а при увеличении напряженности поля возрастает до своего максимального значения 1нас~2-10 см/с и далее спадает до величины, не зависящей от напряженности поля и равной 10 см/с [15]. Это уменьщение вызвано образованием горячих электронов с большей эффективной массой, заполняющих верхнюю зону проводимости.

При насыщении скорости канал не может быть полностью перекрыт у стока при протекании конечного тока, и напряжение стока при ко-

тором ток насыщен, составляет величину, меньшую ЦиЦипор- Выражение для тока насыщения (16.1) может быть видоизменено для случая насыщения дрейфовой скорости путем замены средней скорости дрейфа тепловых электронов

си нас 3 = М (Чи - Ци пор) з на величину v, которая приводит к выражению

lVeu„

зи Ци пор

(16.12)





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 [117] 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165

0.0036