CC BY
143
Микроэлектроника
УДК 621.37.39
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ МОП-ТРАНЗИСТОРА С УПРАВЛЕНИЕМ КАРМАНОМ И ЗАТВОРОМ ОДНОВРЕМЕННО
А.В. Русанов, А.Ю. Ткачев, Ю.С. Балашов
В статье рассмотрены физические основы работы МОП-транзистора с объединенными затвором и карманом, проведен анализ распределения концентрации носителей заряда в кремнии. Представлены результаты исследования в САПР 1БЕ ТСАБ
Ключевые слова: МОП-транзистор, аналоговые схемы, низкое напряжение питания, биполярный режим работы МОП-транзистора
Для разработки аналоговых устройств с низким напряжением питания применяют ряд схемотехнических и технологических приемов [1, 2]. Одними из таких методов является нестандартное включение МОП-транзистора. В этой статье рассмотрена физические основы работа МОП-транзистора при объединении кармана с затвором (см. рис. 1).
а)
Рис. 1. Схемы включения МОП-
транзисторов: а) объединение затвора и
кармана; б) биполярный режим
Результаты исследований,
представленные в [3], позволяют сделать вывод о том, что работа МОП-транзистора в таком варианте включения обусловлена работой латерального биполярного
транзистора МОП-структуры (см. рис. 2).
Несмотря на видимое сходство, существует отличие в работе МОП-транзистора с объедиенными затвором и
Русанов Александр Валерьевич - ВГТУ, аспирант, e-mail: [email protected]
Ткачев Александр Юрьевич - ФГУП «НИИЭТ», канд. техн. наук, e-mail: [email protected]
Балашов Юрий Степанович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, e-mail: [email protected]
карманом, от биполярного. Оно заключается в меньшем напряжении включения, что наглядно показывает рис. 3. Следовательно, работа
МОП-транзистора, управляемого карманом и затвором одновременно, обусловлена не только наличием латерального биполярного транзистора, но и ряда других физических эффектов, для выявления которых нами проведены исследования в САПР КБ ТСаё
Рис. 2. Паразитный горизонтальный npn транзистор в МОП-структуре
Рис. 3. Передаточные характеристики МОП транзистора с различной длиной затвора при соединении затвора с подложкой (1), при стандартном включении (2) и при соединении затвора с п-истоком (3)
Как показывают результаты
моделирования, минимальное пороговое напряжение МОП транзистор имеет при соединении затвора с карманом, а максимальное - при заземлении затвора
(биполярный режим работы) (см. рис. 3). Эти результаты можно объяснить следующим образом. При соединении затвора с карманом из-за контактной разности потенциалов [4] возникает положительное напряжение между затвором и подзатворным участком кармана (порядка 1 В) (см. рис. 4), что приводит к увеличению концентрации электронов в подзатворной области и в дальнейшем к приоткрыванию канала (см. рис. 5).
Рис. 4. Распределение встроенного
потенциала в кармане МОП транзистора затвором, соединенным с подложкой
Рис. 5. Распределение концентрации
электронов в кармане МОП транзистора при нулевых потенциалах на электродах
То есть в данной схеме включения МОП транзистор работает как полевой и биполярный одновременно. Этот вывод наглядно подтверждается распределением плотности тока в объеме кремния, представленном на рис. 6 и 7. Отчетливо видны две области протекания тока: область канала МОП-транзистора и область в глубине кремниевой подложки (кармана МОП-транзистора).
Рис. 6. Распределение концентрации
электронов в канальной области МОП транзистора с соединенными затвором и карманом в рабочем режиме. иси = 2 В, їси = 2 мкА
Рис. 7. Распределение плотности полного тока в кармане МОП транзистора с соединенными затвором и подложкой. иси = 2 В, їси = 2 мкА
Для сравнения, на рис. 8 и 9 представлено распределение концентрации электронов в канальной области и плотность тока в МОП-
транзистора в биполярном режиме.
Рис. 8. Распределение концентрации электронов в канальной области МОП транзистора с заземленным затвором в рабочем режиме. Иси = 2 В, їси = 2 мкА
Рис. 9. Распределение плотности полного тока в модели МОП транзистора с заземленным затвором и управляющей подложкой. Иси = 2 В, їси = 2 мкА
В схеме включения МОП транзистора в биполярном режиме, когда входной положительный сигнал подается на подложку, в затвор заземлен (см. рис. 1 б.), формирование канала МОП-транзистор закрыт, что подтверждается отсутствием инверсионного канала на рис. 8 и 9.
В такой схеме включения МОП транзистор работает исключительно как биполярный транзистор (см. рис. 9), и
пороговое напряжение определяется началом интенсивной инжекции электронов из истока в подложку и оказывается более высоким, чем пороговое напряжение МОП транзистора
данной конструкции при стандартном включении.
Проведенные исследования МОП-транзистора, управляемого карманом и
затвором одновременно, позволяют сделать следующие выводы:
1. Схема управления МОП-транзистором затвором и карманом одновременно является работоспособной;
2. Характеристики такого включения близки к биполярному транзистору;
3. Характеристики прибора обусловлены
работой сразу двух транзисторов: МОП-
транзистора и латерального биполярного. Что позволило снизить пороговое напряжение и необходимое напряжение сток-исток.
Литература
1. Русанов А.В., Балашов Ю.С. Скляр В. А. Методы проектирования аналоговых схем в КМОП технологиях с низким напряжением питания.// Вестник Воронежского государственного технического университета - 2012
2. Phillip E. Allen, Benjamin J. Blalock, and Gabriel A. LOW VOLTAGE ANALOG CIRCUITS USING STANDARD CMOS TECHNOLOGY Rincon School of Electrical and Computer Engineering Georgia Institute of Technology Atlanta, GA 30332-0250
3. Русанов А.В., Ткачев А.Ю., Балашов Ю.С. МОП-транзистор с одновременным управлением. Каналом и затвором// Вестник Воронежского государственного технического университета - 2012
4. К.В.Шалимова ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ М.: Энергоатомиздат, 1985. — 392 с., ил.
Воронежский государственный технический университет
ФГУП «Научный исследовательский институт электронной техники» (г. Воронеж)
PHYSICAL BASIS OF MOSFET WITH WELL AND GATE CONTROL AT A TIME A.V. Rusanov, A.Yu. Tkachev, Yu.S. Balashov
The article describes the work of the MOS transistor with the combined gate and well.. The results of research in CAD ISE TCAD
Key words: MOSFET, analog circuits, low supply voltage, the bipolar mode MOSFET
