Файл: Лекция 16 микроэлектроника.doc

МДП-транзистор с индуцированным каналом (рис. 4) работают только в режиме обогащения. В отсутствие напряжения управления на затворе между истоком и стоком оказываются два встречно включенных диода, и ток в этой цепи будет равен обратному току одного из диодов, т.е. весьма мал и транзистор будет находиться в запертом состоянии. Таким образом, МДП-транзистор – это нормально закрытый прибор.

На рис. 6 показана структура, которая используется в МДП-транзисторах с индуцированным n-каналом.

Для того чтобы транзистор открылся, на затвор необходимо подать такой потенциал относительно потенциала подзатворной области, чтобы на поверхности произошла инверсия проводимости. При этом под затвором индуцируется область n-типа, образующая канал, соединяющийn⁺-области истока и стока, и в стоковой цепи начинает протекать ток.

Принято считать, что транзистор открывается при напряжении затвора, равном пороговому – U_п, при котором на поверхности начинает выполняться условие сильной инверсии. Стоковый ток тем выше, чем больше индуцированный в канале заряд и, соответственно, больше проводимость инверсионного слоя.

Рис 6. МДП-транзистор с индуцированным каналом

Пусть U_зи>U_п, т.е. имеется проводящий канал, и на сток относительно истока подано положительное напряжениеU_си(рис. 6). Тогда распределение потенциала в канале по оси х становится неравномерным: в точке х=0 (вблизи истока) потенциал определяется только полем затвора и равенU_зи- U_п, а в точке х=L– совместным действием полей затвора и стока и равенU_зи- U_п- U_си. При увеличении напряженияU_ситок стокаI_cтакже будет увеличиваться по линейному закону, так как увеличивается напряженность стока вдоль канала (по оси х). Ток стока вдоль канала – дрейфовый ток электронов.

Одновременно с ростом напряжения U_сии тока стокаI_cпроисходит расширение стоковогоpn-перехода: на переход подается обратное смещение, и он расширяется в сторону высокоомной подложки. В точкех=Lобратноенапряжение на стоковомpn-переходе появляется только при достижении некоторого граничного условияU_{си гр}= U_зи- U_п, то есть при компенсации в этой точке действия поля затвора. При этом дифференциальное сопротивление выходной цепи сток-исток резко увеличивается, так как оно определяется сопротивлениями канала и обратносмещенного стоковогоpn-перехода. Рост тока стокаI_cприU_си >U_{си гр}практически прекращается, а стоковыйpn-переход расширяется по оси х в сторону истока, и длина канала уменьшается на ΔL.

---

2 Вольт-амперные характеристики мдп-транзистора

Выходной характеристикой МДП-транзистора называется зависимость выходного тока стока I_c от выходного напряжения - напряжения U_си. На рис.7 и 8 представлены вольтамперные характеристики, типичные для МДП-транзистора с индуцированным и встроенным каналом.

Рис. 7 Передаточные и выходные ВАХ p-канального МДП-транзистора

Рис. 8. ВАХ МДП-транзистора со встроенным каналом

Как видно из графиков, на характеристиках МДП-транзистора можно выделить две области: участок крутого нарастания тока стока I_cс увеличением напряженияU_сии пологий участок, на которомI_cменяется незначительно, поэтому эту область часто моделируют горизонтальными прямыми вплоть до напряжения пробоя.

Переход с одного участка выходной ВАХ на другой происходит при достижении граничного значения напряжения стока:

(9)

С увеличением напряжения на затворе, граница, разделяющая крутую и пологую области, сдвигается в область больших напряжений сток-исток. На графике зависимости I_c=f(U_си)можно выделить три основные рабочие области (рис. 9):

Рис. 9 Выходные ВАХ МДП-транзистора

1 – область отсечки выходного тока: транзистор заперт(U_зи<U_п), в цепи протекает малый обратный ток, обусловленный утечкой и обратным током стоковогоpn-перехода.

2 – активная область (пологая часть выходных ВАХ U_з>U_п,U_си >U_{си гр}) – область, где токI_cостается практически неизменным с ростом напряженийU_си.

---

3 – область открытого состояния (крутая часть ВАХ): ток I_c в этой области задается внешней цепью.

Таким образом, в области 1 рабочая точка находится, если МДП-транзистор, как и биполярный, работающий в ключевом режиме, заперт, в области 3 – если открыт. В активной области 2 рабочая точка находится, если МДП-транзистор работает в усилительном режиме.

В области 4 наступают предпробойные явления, сопровождающиеся резким увеличением тока I_c. Область пробоя определяет выбор предельно допустимых напряжений.

Для получения аналитического выражения, позволяющего описать ВАХ МДП-транзистора, сделаем следующие основные допущения:

• одномерное приближение, т.е. концентрации носителей и потенциалы по сечению канала постоянны;

• на поверхности выполняется условие сильной инверсии (U_зи>U_п);

• заряд на поверхностных состояниях постоянен и не зависит от изгиба зон;

• дрейфовые токи значительно больше диффузионных токов и последними можно пренебречь;

• подвижность носителей заряда в канале постоянна.

Плотность тока в канале можно определить по закону Ома:

(10)

где σ_с– удельная (приходящаяся на единицу площади) проводимость канала,E(x)= dV/dx – напряженность продольного электрического поля в канале.

(11)

где– подвижность носителей в канале (– для каналаp-типа и – для каналаn-типа), – концентрация основных носителей в канале, – удельный заряд индуцированных носителей:

Qинд = Cз[Uз - Uпор - U(x)],

(12)

---

где С_з– емкость затвора,U(x)– потенциал в точке каналах. Тогда из (11) можно получить:

(13)

Умножив (10) на ширину канала W (рис. 6) и выполнив разделение переменных, можно получить:

(14)

Откуда получим ток стока в линейной области характеристик при единичной глубине канала:

(15)

При увеличении напряжения на стоке, потенциал U(L)=U_сстремится кU_зи при некоторомU_с=U_сo инверсия в некоторой, находящейся вблизи стока точке отсечки исчезает, канал перекрывается областью, обедненной носителями. Начиная с этого момента, ток стока образуется носителями, которые дрейфуют по проводящему каналу и затем инжектируются в обедненную область, расположенную около стока. Дальнейшее увеличение напряжения на стоке будет приводить к весьма слабому возрастанию тока стока, поскольку все приращение напряжения будет осуществляться за счет падения напряжения на перекрытой ОПЗ пристоковой области канала. При этом ток стока будет определяться падением напряжения от истока до точки отсечки, положение которой при увеличении напряжения на стоке остается почти постоянным. Небольшое смещение точки отсечки за счет расширения обедненной области при возрастании потенциала стока приведет к некоторому увеличению тока стока. Таким образом, приU_з >U_соисток-стоковая вольт-амперная характеристика будет переходить из крутой области в пологую. ЗначениеU_со= 0 найдем из следующего условия:

Qинд(L) = 0 = Cз (Uз – Uпор – Uco).

(16)

Откуда U_co=U_з-U_п.

Подставим это значение U_coвместоU_cв (15), найдем выражение для выходных вольтамперных характеристик МДП–транзистора в пологой области:

---