Транзистор метал-діелектрик-напівпровідник: відмінності між версіями

[неперевірена версія][неперевірена версія]
Вилучено вміст Додано вміст
м оформлення
вікіфікація
Рядок 32:
 
==== Властивості індукованого переходу ====
Звичайно вперше концепцію ''квазірівнів Фермі'' ввів Шоклі для опису металургійнихметалічних p-n— переходів. Тому Са пішов тривіальним шляхом розповсюдження даної концепції на ''індуковані переходи''. Індукований перехід відрізняється в першу чергу від металургійногометалічного тим, що на поверхі напівпровідника створюються тільки ''потенція'' для провідності оберненого типу відносно глибинних шарів напівпровідника. Тобто сам напівпровідник МДН-структури не має можливості для заповнення інверсними носіями поверхні напівпровідника, тому для цього по боках каналу формували ''кишені'' з інверсною провідністю відносно ''підкладки''. Якщо цього не зробити, то отримаємо весь комплекс інерційних низькочастотних явищ в C- V- характеристиках МДН-структури (в районі 100 Герц). Другою особливістю індукованого переходу є те, що він є достатньо ''різкий'' відносно металургійногометалічного. Це обумовлено технологією обробки поверхні кремнію, котра є значно вища і контрольованіша за реальні металургійніметалічні переходи. Звичайно, вона ще далека від параметра решітки, проте вже достатньо близька до нього (в металургійнихметалічйних переходах такої різкості добитися взагалі не можливо). Справа в тому, що в «точці» самого переходу квазірівні електронів та дірок однакові за величиною і збігаються із серединою забороненої зони напівпровідника. Тобто в цій точці ми маємо ''власний напівпровідник'', і тому чим тонша буде ця перехідна область (буде ''різкішою''), тим ближче буде реальний перехід до ідеального, для якого розроблена мікроскопічна теорія.
 
Електрод ''затвора'' є основним управляючим електродом, котрий задає поверхневий потенціал напівпровідника МДН-структури, котра в свою чергу описується стандартним рівнянням Пуассона в ''ефекті поля''. Тому при відсутності напруг на електродах стока та підкладки (нульові значення) ми і отримуємо зв'язок між мікроскопічними потенціалами на поверхні розділу діелектрик- напівпровідник (<math>\phi_s </math>) та макроскопічними напругами на затворі (<math>V_G </math>) через теорему Гауса для зарядів на ємності МДН-структури. Звичайно цей стан поверхні напівпровідника з інверсною провідністю також є станом ''поперечної термодинамічної нерівноваги'' (тому поверхневий потенціал тут є також квазіпотенціалом Фермі), проте відсутність поперечного струму через МДН-структуру (наявність діелектрика!) дозволяє нехтувати тут нерівноважністю і вважати сам ''індукований перехід'', як варіант металургійногометалічного. Очевидно, що це справедливо тільки для постійних напруг на затворі МДН-структури, а коли вона змінюється (при чому з великою частотою) то термодинамічна нерівноважність повинна вносити свої корективи в «ідеальний індукований перехід». Це приведе до того, що статичні параметри індукованого переходу будуть відрізнятися від динамічних.
 
==== Вплив електрода підкладки ====
Рядок 43:
 
де <math>N </math> концентрація домішок (залежить від поверхневого потенціалу в загальному випадку), <math>q </math>- заряд електрона, <math>\epsilon_s </math> діелектрична проникність напівпровідника та <math>\phi_F </math>- потенціал Фермі. Очевидно, що збільшення просторового заряду тривіально означає зменшення інверсного заряду (еквівалентне збільшенню «порогової напруги» МДН-структури).
У випадку подачі ''прямої напруги'' на електрод підкладки, через ''джерельний перехід'' буде протікати прямий струм, як у звичайних металургійнихметалічних переходах. Більше того, через електрод стока також буде протікати додатковий струм, обумовлений прямою напругою на підкладці (т.з. «біполярний ефект»). Звичайно цей режим прямих напруг на підкладці на практиці не використовується (особливо в цифрових схемах), оскільки це є «паразитні» струми через сток.
 
Таким чином, вплив електрода підкладки на квазірівні Фермі не виходить за рамки концепції ''квазірівнів Фермі'', розробленої для металургійнихметалічних переходів.
 
==== Вплив електрода стока ====
 
До електроду стока завжди прикладається обернена напруга, що викликає збільшення заряду збідненої області біля електроду стока (ефект типовий для металургійнихметалічних переходів). Тому до певної міри електрод стока також виконує роль управляючого електроду, подібно до електродів затвора та підкладки. Проте його вплив перманентно зменшується з наближенням до електроду джерела вздовж каналу. Таким чином, електрод стока виконує основну роль електроду прискорення неосновних носіїв, що з'являються біля електроду джерела, за рахунок чого і створюється струм вздовж каналу.
Звичайно не нульове значення напруги на електроді стока створює повздовжнє електричне поле вздовж каналу, що в свою чергу створює умови для виникнення ''повздовжньої термодинамічної нерівноваги'' на поверхні розділу діелектрик- напівпровідник. Основна заслуга Са полягає в тому, що він припустив, що у випадку протікання ''стаціонарного струму'' вздовж каналу, електричне поле, а значить і поверхневий квазіпотенціал, обумовлений оберненою напругою на стоці, рівномірно розподіляється вздовж каналу не руйнуючи його енергетичної структури. Тобто, хоч поверхневий поперечний потенціал і поступово зменшується (тобто індукований перехід поступово зникає), проте вся поверхня веде себе цілісно, подібно до тривіального діелектрика (адже тільки в діелектриках ми маємо однорідне електричне поле, а збіднена область завжди веде себе подібно до діелектрика!). Знову ж таки ми тут маємо традиційне обмеження. Тобто отримані аналітичні вирази для інверсних зарядів, потенціалів та струмів вірні тільки у випадку протікання ''стаціонарного струму стока'', а у випадку змінного струму електричні параметри будуть іншими, оскільки концепція ''квазірівнів Фермі'' по Са і тут уже не буде працювати.
 
Рядок 67:
де <math>V_S </math>&nbsp;— макроскопічний потенціал вздовж каналу (збігається з мікроскопічним!), який біля електрода стока збігається із стоковою напругою.
 
Таким чином, подача змінної напруги на електрод затвора в потенції може зруйнувати як поперечну, так і повздовжню термодинамічну квазірівновагу, а значить і концепція ''квазірівнів Фермі'' Шоклі-Са буде не придатна для опису ''вольт[[Вольт-амперна характеристика|вольт-амперних характеристик'']] (ВАХ) МДН-транзистора. Тому використовують поняття ''малих сигналів'' (малого ''збурення'' в термінах рівноважної термодинаміки), при яких концепція ''квазірівнів Фермі'' ще виконується. Очевидно, що поняття «малості» відноситься до вихідного сигналу на електроді стока (амплітуда вихідного змінного сигналу є значно менша за напругу на стоці).
[[Файл:Mosfet linear.svg|thumb|Інверсний канал та вплив на нього напруги на стоці U<sub>DS</sub>&nbsp;≠&nbsp;0)]]
 
Рядок 78:
4) дифузний струм в каналі достатньо малий у порівнянні з дрейфовим струмом, тому ним можна знехтувати;
5) генерацією та рекомбінацією в області каналу можна знехтувати;
6) обернені струми металургійнихметалічних переходів сток- підкладка та джерело- підкладка достатньо малі і тому також не враховуються.
 
В загальному випадку дрейфовий струм стока <math>I_D</math> записується у вигляді: