Московски държавен институт по електроника и математика
Катедра "Електроника и електротехника".
Изследване на статичните характеристики ток-напрежение на MIS транзистора и определяне на параметрите на неговия модел за изчисления на веригата.
към лабораторна работа
Целите на лабораторната работа са:
Изследване на статичните ток-напрежения на MIS транзистора;
Изучаване на методите и определяне на параметрите на своя модел за схемни изчисления
Придобиване на умения за работа с полупроводникови устройства;
Придобиване на умения за изчисляване на вериги с помощта на програмата за анализ на вериги PSPICE.
2. Кратка теоретична информация.
За полеви транзистори с изолиран затвор, последният е метален слой, изолиран от полупроводника чрез тънък диелектричен филм. Наличието на диелектрик премахва ограничението за полярността на отклонението: то може да бъде или положително, или отрицателно, и в двата случая няма ток на затвора. Структурата на такива транзистори (метал - диелектрик - полупроводник), както вече беше отбелязано, е в основата на тяхното име: MIS транзистори. В много често срещания случай, когато диелектрикът е оксид (силициев диоксид), те се наричат MOS транзистори (на английски MOS).
Ориз. 1. Структури на MIS транзистори със собствени (а) и индуцирани (б) канали.
Две основни структури на MIS транзистори са показани на фиг. 1. Първият от тях (Фиг. 1а) се характеризира с наличието на специално реализиран (собствен или вграден) канал, чиято проводимост се модулира чрез отклонение на затвора. В случай на p-тип канал, положителният потенциалU3 "отблъсква" дупките от канала (режим на изчерпване), а отрицателният ги "привлича" (режим на обогатяване). Съответно, проводимостта на каналаили намалява, или се увеличава в сравнение със стойността си при нулево отместване. Втората структура (фиг. 1b) се характеризира с липсата на структурно изразен канал. Следователно, при нулево отклонение на портата, проводимостта между източника и дренажа практически липсва: източникът и дрейнът образуват последователниpnвръзки със субстрата. Освен това не може да има значителна проводимост между източника и дренажа с положителна полярност на отклонение, когато допълнителни електрони се привличат към повърхността на полупроводника. Въпреки това, при достатъчно голямо отрицателно отклонение, когато близкият до повърхността слой е силно обогатен с привлечени дупки, между източника и дренажа се образува индуциран (индуциран от полето) канал, през който може да тече ток. Това означава, че транзисторите с индуциран канал работят само в режим на обогатяване. В момента този тип транзистори е най-често срещаният.
Характеристики и параметри. Помислете за най-простото приближение на характеристиката ток-напрежение, което е удобно за използване при инженерни изчисления:
, (1)
където специфичната транскондуктивност на транзистора се изчислява по формулата:
, (2)
L,W- съответно дължина и ширина на канала,d,e0eD- дебелина на диелектрика на затвора и диелектрична константа,m- подвижност на носителите на заряд.
Това приближение винаги е валидно при ниски напрежения на поглъщане. При високи напрежения на изтичане, приближението (1) е валидно само в случай на достатъчно тънки диелектрични слоеве и субстрати с високо съпротивление с ниска концентрация на примеси.
От израз (1) е лесно да се намери напрежението на насищане, като се приеме, чеdIC/dVSI=0:
Стойността на токаIС(VCH) се съхранява при всички стойности наVSI>VSN. Следователно, замествайки (3) в (1), получаваме характеристиката ток-напрежение на MIS транзистора в режим на насищане:
, (4)
В усилвателната технология MIS транзисторите винаги се използват в режим на насищане, тъй като се характеризира с най-ниски нелинейни изкривявания и оптимални стойности на диференциалните параметри: наклонS=dIС/dVZI вътрешно съпротивлениеRi=¶VSI/¶IС и присъщо усилванеm=¶VSI/¶VZI
(тирето подmима за цел да разграничи този параметър от мобилността).
Стръмността в режим на насищане се определя лесно от израз (3):
Както можете да видите, наклонът зависи линейно от ефективното напрежение на затвораVGG‑Vtoи при дадено ефективно напрежение е пропорционално на параметъраkp. Името на последния (специфичен наклон) се дължи на факта, че приVZI‑Vto=1 V, стойносттаkpе числено равна на наклона в режим на насищане. Като цяло параметърътkpе производната на¶2IC/¶VZI¶VSI, т.е. характеризира кривината на функциятаIС(VZI,VSI). Стръмността на MIS транзистора е уникално свързана с тока. Тази връзка е лесна за установяване с помощта на изрази (4) и (6):
. (7)
От израз (6) става ясно, че стръмността на MIS транзистора се увеличава с намаляване на дебелината на диелектрикаd, както и с увеличаване на ширината на каналаW. И двата фактора обаче едновременно допринасят за увеличаване на капацитета между гейта и канала, което се описва с израза
. (8)
За разлика от транспроводимостта, вътрешното съпротивление и печалбата на MIS транзистора не могат да бъдат определени от израз (4), тъй като той не съдържа напрежениеVSI. Съгласно (4), характеристиките в режим на насищане трябва да са хоризонтални (Ri=¥,m=¥).
Ориз. 2 работни точки на MIS транзистора в ключов режим.
Разбира се, в областта на достатъчно високи напреженияVSI възникват предпробойни явления, а след това и пробив, придружен от рязко увеличаване на токаIС и също толкова рязко намаляване на съпротивлениетоRi. Обърнете внимание, че повреда може да настъпи не само в дрейновияpnпреход, но и в диелектрика (между дрейна и гейта).
В импулсните MIS вериги транзисторът работи като ключ и основният интерес е към двете крайни работни точки, съответстващи на заключеното и максимално отвореното състояние на ключа (фиг. 2).
Заключеното състояние (точка 1) се характеризира с условиетоVZI 2 . Тогава:
Израз (8) е валиден при условиетоVZI‑Vto>(2-3)VSI0. Друг важен параметър за характеризиране на публичния ключ е съпротивлението в началния участък на криватаIС(VSI). Диференцирайки (1) по отношение наVSI, получаваме диференциалното изходно съпротивление на транзистора в ненаситен режим: