Файл: Электроника Ицкович Учебное пособие Ч1 2017.pdf

186

рабочей цепи остается крайне малой и протекание тока в этой це-
пи  невозможно.  Существует  некоторое  пороговое  напряжение 
U

З

=U

0

,  при  превышении  которого  энергетические  зоны  искрив-

ляются настолько сильно, что вблизи поверхности образуется ин-
версионный дырочный слой. Именно этот слой играет роль инду-
цированного канала (рис. 5.9, б). Принято считать, что пороговое 
напряжение соответствует поверхностному потенциалу 

2

cm

F

ϕ = ϕ  

(электростатический потенциал 

E

ϕ  принимается равным нулю). 

φ

E

=0 

n-Si 

SiO

2

n-Si 

SiO

2

б 

φ

F 

φ

S 

НАЧ

=0 

а 

φ

F 

φ

E

=0 

φ

S 

0

=0 

канал

Рис. 5.9 — Распределение носителей и зонные диаграммы 

 в МОП-транзисторе с индуцированным р-каналом:  

а — равновесное состояние; б — при отрицательном  

смещении на затворе 

187

Дальнейший рост напряжения U

З

 слабо влияет на величину 

S

ϕ ,  поскольку  изменения  последней  всего  на  несколько 

T

ϕ   до-

статочно для изменения концентрации дырок в десятки раз. 

Наряду с образованием дырочного канала под затвором об-

разуется  также  обедненный  слой,  в  котором  положительный  за-
ряд обусловлен обнаженными ионами доноров (рис. 5.9, б). Обра-
зование  обедненного  слоя  вызвано  отталкиванием  основных  но-
сителей подложки — электронов — от поверхности. 

Инверсионный слой значительно тоньше обедненного слоя. 

Толщина  последнего  обычно  составляет  сотни  ангстрем,  а  тол-
щина индуцированного канала составляет всего 10—20 

Å

. 

Как видим, дырки буквально «прижаты» к поверхности по-

лупроводника.  Отсюда  ясно,  что  структура  и  свойства  границы 
полупроводник — диэлектрик  играют  в  МДП-транзисторах  ис-
ключительно важную роль. 

Если  в  начальном  состоянии  все  электроды  МДП-тран-

зистора  находились  при  нулевом  потенциале,  а  затем  на  затвор 
была  подана  ступенька  напряжения  U

З

>U

0

,  то  в  первый  момент 

поле  будет  иметь  примерно  такую  конфигурацию,  как  показано 
на рис. 5.9, а. 

Под  действием  этого  поля  электроны  перемещаются  в  сто-

рону от поверхности, обнажая ионы доноров и образуя обеднен-
ный слой, а дырки движутся к поверхности, накапливаются вбли-
зи границы с диэлектриком. 

С  увеличением  напряжения  на  стоке  (при  постоянном  по-

тенциале 

ЗИ

U

)  ток 

C

I   сначала  нарастает  почти  линейно  (пока 

дырочный канал вблизи стока слабо деформирован), затем нарас-
тание тока замедляется. 

Семейство  характеристик  МДП-транзистора  показано  на 

рис. 5.10. 

В  целом  семейство  вольт-амперных  характеристик  МДП-

транзистора  напоминает  семейство  характеристик  унитрона 
(рис. 5.4). 

188

I

C Н2 

I

C Н1 

U

З3 

U

З2 

U

З1 

I

C 

U

C 

U

C Н1 

U

C Н2 

U

З

=0 

Рис. 5.10 — Статические вольт-амперные  

характеристики МДП-транзистора 

 
Характеристики  и  параметры  в 1-м  приближении.  Рас-

смотрим  самую  простую  аппроксимацию  выражения,  которой 
удобно пользоваться при инженерных расчетах.  

2

0

1

(

)

,

2

C

З

C

C

I

b U

U U

U

⎡

⎤

=

−

−

⎢

⎥

⎣

⎦

                        (5.10) 

где 

0

0

zzc

z

b

L

Ld

μ

ςς

=

=

 — параметр,  определяющий  «масштаб»  ха-

рактеристики, называется удельной крутизной. 

Такая аппроксимация всегда действительна при  малых сто-

ковых напряжениях (

C

Sm

U

< ϕ ). 

 Из  выражения (5.10) легко  найти  напряжение  насыщения, 

полагая 

0

C

C

dI

dU =

. 

0

.

СН

З

U

U

U

=

−

                                     (5.11) 

Как  уже  отмечалось,  величина  тока 

(

)

C

ЗИ

I

U

  сохраняется 

при всех значениях U

С

>U

СИ

. 

Поэтому,  подставляя (5.11) в (5.10), получаем  вольт-

амперную  характеристику  МДП-транзистора  в  режиме  насыще-
ния:  

2

0

1

(

) .

2

C

З

I

b U

U

=

−

                                 (5.12) 

В  усилительной  технике  МДП-транзисторы  чаще  использу-

ются в режиме насыщения, поскольку им свойственны наименьшие 
нелинейные искажения и оптимальные значения дифференциальных 

189

параметров:  крутизны 

0

З

I

S

U

∂

=

∂

,  внутреннего  сопротивления

C

i

C

U

R

I

∂

=

∂

и 

собственного 

коэффициента 

усиления 

c

З

dU

dU

μ =

.  Эти  параметры  связаны  между  собой  «ламповым» 

соотношением: 

.

i

sR

μ =

                                         (5.13) 

Крутизна  в  режиме  насыщения  определяется  из  выражения 

(5.12):  

0

(

).

З

s

b U

U

=

−

                                 (5.14) 

Как  видим,  крутизна  линейно  зависит  от  эффективного 

напряжения  на  затворе  U

З

— U

0

,  а  при  заданном  эффективном 

напряжении пропорциональна параметру b. Крутизна МДП-тран-
зистора однозначно связана с током. Эту связь легко установить с 
помощью выражений (5.12) и (5.14):  

2

.

C

s

bI

=

                                     (5.15) 

Из  выражения (5.14) ясно,  что  крутизна  МДП-транзистора 

возрастает с уменьшением толщины диэлектрика, а также с уве-
личением ширины канала Z. 

Однако оба эти фактора одновременно способствуют увели-

чению емкости между затвором и каналом, которая описывается 
выражением  

0

0

(

)

.

З

ZL

С

С ZL

d

ξ ξ

=

=

                               (5.16) 

Поэтому такой глобальный параметр всякого усилительного 

прибора, как добротность, определяемая отношением 

2, 2

S

C

,  не 

зависит от величин Z и d. Поделив (5.14) на (5.16), получаем доб-
ротность МДП-транзистора в следующем виде:  

0

2

(

).

2, 2

З

Д

U

U

L

μ

=

−

                              (5.17) 

Отсюда  следует,  что  основным  средством  повышения  доб-

ротности  является  уменьшение  длины  канала  L.  В  отличие  от 
крутизны  внутреннее  сопротивление  и  коэффициент  усиления 
МДП-транзистора  не  могут  быть  определены  из  выражения 

190

(5.12),  поскольку  оно  не  содержит  напряжения.  Согласно (5.12) 
характеристики в режиме насыщения должны быть горизонталь-
ными, а значит, R

i

=

∞

, 

μ = ∞

.

Разумеется,  в  области  достаточно  больших  напряжений  U

C

наступают предпробойные явления, а затем и пробой, сопровож-
дающийся  резким  возрастанием  тока  I

C

  и  столь  же  резким 

уменьшением  сопротивления  R

i.

  В  импульсных  схемах  МДП-

транзистор работает в качестве ключа, и основной интерес пред-
ставляют  две  крайние  рабочие  точки,  соответствующие  заперто-
му и максимально открытому состоянию ключа (рис. 5.12). 

Запертое  состояние  (точка I) характеризуется  условием 

U

З

<U

0

.

При  этом  в  цепи  стока  протекает  лишь  некоторый  оста-

точный  ток,  обусловленный  утечками  по  поверхности,  а  также 
обратным  током  р-n  перехода  стока  (если  подложка  находится 
под нулевым или положительным потенциалом). В качественных 
МОП-транзисторах  этот  ток  не  превышает  нескольких  наноам-
пер. Максимально открытое состояние ключа (точка 2) характер-
но  большими  значениями  эффективного  напряжения  U

З

 — U

0

и расположением  рабочей  точки  на  крутом  участке  соответству-
ющей вольт-амперной кривой. Обычно в открытом состоянии ток 
I

C

 оказывается заданным внешней цепью, а интерес представляет 

остаточное  напряжение  U

C0.

  Это  напряжение  легко  определить 

из формулы (5.10), однако  в  общем  виде  выражение  получается 
громоздким. На практике остаточное напряжение мало. 

Тогда  

0

.

(

)

C

CO

З

I

U

b U

U

=

−

                                (5.18) 

Выражение (5.18) действительно при условии  

U

З

– U

O 

> 

(2—3)U

CO

. 

Еще одним параметром, важным для характеристики откры-

того  состояния  ключа,  является  сопротивление  на  начальном 
участке кривой 

( )

C

C

I

U

 Дифференцируя (5.10) по U

C

, получаем:  

0

0

1

.

(

)

З

R

b U

U

=

−

                               (5.19) 

Это  же  выражение  можно  получить  непосредственно  из 

формулы (5.18).