6.3 Основные параметры мдп-транзистора

Основным средством описания электрических свойств МДП-транзистора является система параметров. Параметры используются, в частности, при компьютерном моделировании, являющимся главным «инструментом» разработки, изготовления и эксплуатации электронных устройств.

Одним из главных параметров МДП-транзистора является пороговое напряжение U₀. От него зависит напряжение, мощность, размеры и стоимость источника питания МДП интегральных схем и отдельных МДП-транзисторов. Стоимость, размеры и масса источника может достигать половины этих характеристик самого электронного устройства (например, батареи гаджета).

Пороговое напряжение определяется свойствами материалов МДП-структуры и её главным размером – толщиной диэлектрического слоя d:

, (32)

где – контактная разность потенциалов металл – полупроводник;

d – толщина диэлектрика;

q – элементарный электрический заряд;

– абсолютная электрическая постоянная;

– относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника и диэлектрика;

N – концентрация примеси в полупроводнике.

Большинство величин в (32) диктуются общими особенностями современной технологии – выбором типа полупроводника (кремний), диэлектрика (SiO₂), металла (алюминий). Поэтому основным способом уменьшения U₀ является уменьшение d. На сегодня d составляет доли нанометра , т.е. всего несколько межатомных расстояний. В результате достигнуты U₀ ≈ 0,5 В. Это позволяет использовать источники питания с напряжением менее 1 В.

Другим важнейшим параметром МДП-транзистора является барьерная ёмкость затвор-канал C_зк:

C_зк = ε₀ε_дS/d = ε₀ε_дWL/d, (33)

где S – площадь затвора, W и L – ширина и длина затвора.

От C_зк зависит время отпирания и запирания транзистора, т.е. его импульсные и частотные свойства. Поэтому W и L должны быть минимизированы. Однако это противоречит обеспечению необходимого тока в канале I_с. В мощных МДП-транзисторах это противоречие разрешается увеличением W до нескольких метров, чем увеличивается площадь поперечного сечения канала и понижается плотность тока в нём.

Примером мощного МДП-транзистора является транзистор с I_{c макс} = 10 А, W = 2 м, L = 1 мкм. Проблема столь большой ширины канала в таких транзисторах решается изготовлением канала в форме меандра, рис. 24. Здесь изображены виды сверху на МДП-транзисторы с обычным (а) и увеличенным (б) отношением W/L.

Важным параметром является также удельная крутизна B [А/В²]. Она характеризует усилительные свойства МДП транзистора – зависимость полезного выходного тока I_с от входного напряжения U_зи. В первом приближении эта зависимость описывается двумя уравнениями:

I_с = 0,5B(U_зи - U₀)², при U_зи > U₀ (открытое состояние)

(34)

I_с = 0, при U_зи < U₀ (закрытое состояние)

Рис. 24

Очевидно, что ток в канале I_с тем больше, чем больше коэффициент подвижности носителей в канале µ, его ширина W и проницаемость диэлектрика ε_дε₀. Естественно также, что I_с уменьшается с увеличением толщины диэлектрика d (слабеет поле) и увеличением длины канала (растёт его сопротивление). Поэтому

B = µε_дε₀W/d·L (35)

Главный коэффициент, характеризующий усиление электронных элементов и устройств – коэффициент усиления по мощности К_р = Р_вых/Р_вх. У МДП-транзисторов К_р может быть очень большим. Это связано с тем, что вход транзистора, затвор отделён (изолирован) от канала диэлектрическим слоем. При постоянном входном напряжении U_зи входного тока I_з практически нет и Р_вх = U_зиI_з ≈ 0. Однако при переменном входном напряжении из-за наличия ёмкости затвор-канал появляется комплексный входной ток. Этот ток и, следовательно, входная мощность тем больше, чем быстрее изменяется U_зи при отпираниях и запираниях транзистора или чем выше частота усиливаемого сигнала.