6.4. Статические характеристики мдп-транзистора

Статическими характеристиками называют графики зависимости одних постоянных напряжений и токов электронных элементов и цепей от других их напряжений и токов. Примерами статических характеристик являются ВАХ диода Шотки или p-n диода.

Транзистор всегда включается как четырёхполюсник, имеющий вход и выход. Входные характеристики связывают входные напряжения и токи, выходные характеристики связывают выходные напряжения и токи. Проходные, или переходные характеристики связывают входные токи или напряжения с выходными.

Примером статической характеристики является проходная характеристика МДП-транзистора, рис. 25. Она соответствует

Рис. 25

зависимостям (34). Т.к. она связывает ток стока и напряжение на затворе, её называют также стоко-затворной характеристикой.

На рис. 25 штриховой линией изображена также стоко-затворная характеристика МДП-транзистора с индуцированным каналом р-типа. В таком транзисторе пороговое напряжение отрицательное, канал существует при отрицательных U_зи.

На рис. 26 изображены выходные характеристики МДП-транзистора.

Рис.26

Они отражают зависимость выходного тока I_с от выходного напряжения U_си. Этот ток зависит ещё и от входного напряжения U_зи. Поэтому выходные характеристики обычно изображаются в виде семейства характеристик. Каждая из характеристик семейства соответствует некоторому неизменному U_зи. В результате семейство характеристик отображает обе важнейшие зависимости: I_с = f₁(U_си) и I_с = f₂(U_зи).

Выходные характеристики МДП-транзисторов имеют два характерных участка. Первый участок соответствует малым значениям U_си. В этой области канал по всей своей длине одинаков, его сопротивление R_к определяется только неизменным значением U_зи и поэтому R_к = const. При неизменном сопротивлении зависимость тока в канале I_с от напряжения на канале U_си подчиняется закону Ома. Отсюда название этого участка – омический, или резистивный. Он представляет собой отрезок прямой из начала координат.

С дальнейшим увеличением U_си форма канала начинает изменяться, рис. 27. Потенциал истока в схеме с общим истоком равен нулю и неизменен. Поэтому разность потенциалов затвор-канал и сила поля вблизи истока также неизменны. Канал здесь сохраняет исходную толщину и концентрацию свободных электронов. Вблизи стока, потенциал которого равен U_си, разность потенциалов затвор-канал равна U_зи - U_си. Поэтому с ростом U_си поле затвора

Рис. 27

здесь ослабевает. Канал вблизи стока становится тоньше, R_к увеличивается. Омический участок характеристики сменяется участком насыщения. Ток стока не уменьшается, так как одновременно растет напряжение между стоком и истоком, увеличивающее скорость дрейфа носителей по каналу. При дальнейшем повышении U_си произойдет пробой p-n-прехода сток-подложка, и это приведет к резкому повышению тока стока за счет обратного лавинного тока перехода.

Такие же по форме выходные характеристики имеют МДП-транзисторы со встроенным каналом, рис. 28.

Они находят ограниченное применение из-за необходимости затрачивать энергию на поддержание состояния отсечки транзистора изготовления дополнительного n-слоя между истоком и стоком. Этот слой выполняет функцию канала, который существует в таком транзисторе и при U_зи = 0. Как и в транзисторах с индуцированным каналом, в МДП транзисторах со встроенным каналом в зависимости от напряжения на затворе наступает обогащение или обеднение канала. При достаточно сильном обеднении,

Рис. 28 Рис. 29

т.е. при U_зи < U₀, наступает режим инверсии полупроводника под затвором. Канал исчезает, транзистор запирается. Стоко-затворная характеристика МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа изображена на рис. 29. Здесь же штриховая линия соответствует p-канальному варианту транзистора.

Выходные характеристики всех рассмотренных в разделе 6.5 транзисторов имеют только количественные отличия, рис. 26.

Общепринятые условные обозначения всех МДП-транзисторов приведены в Приложении 2.

6.5. МДП-транзистор с плавающим затвором

Устройство МДП-транзистора с плавающим затвором изображено на рис. 30.

Рис. 30 Рис. 31

В таком транзисторе есть два металлических слоя, выполняющих функцию двух затворов.

На верхний, обычный затвор, может быть подано внешнее напряжение U_зи в виде короткого импульса, рис. 31. Возникает электрическое поле, которое заряжает внутренний, плавающий затвор. В зависимости от знака поданного U_зи, заряд плавающего затвора будет +Q или –Q. Этот заряд, в свою очередь, создает вокруг себя электрическое поле, проникающее в полупроводник. При +Q в полупроводнике возникает режим инверсии. Образуется n-канал, транзистор открыт. При отрицательном U_зи плавающий затвор приобретает заряд –Q. Канал исчезает (закрытое состояние).

Главное свойство такого транзистора - заряд плавающего затвора не исчезает после отключения U_зи. Благодаря тому, что плавающий затвор со всех сторон окружён высококачественным диэлектриком, пути для тока разряда нет и заряд затвора сохраняется в течение нескольких лет. В течение этого же времени сохраняется открытое или закрытое состояние. Таким образом, МДП-транзистор с плавающим затвором обладает свойствами ячейки памяти, способной хранить 1 бит информации.

Запись открытого состояния (условно единицы) осуществляется подачей на затвор короткого положительного импульса, рис. 31. Стирание прежнего заряда и переход в закрытое состояние (запись нуля) осуществляется подачей короткого отрицательного импульса.

МДП-транзисторы с плавающим затвором и их разновидности получили исключительно широкое распространение в современной электронике. На их использовании, в частности, основывается работа флеш-памяти.