Электроника. Часть 1

181

Ток IС остается неизменным в любом сечении. Поэтому,

Поскольку участок насыщения является основным рабочим участком, определим крутизну S именно в этой области. Дифференцируя (5.5) по UЗ, получаем:

Дифференциальное сопротивление rС в области насыщения согласно (5.5) равно бесконечности. Практически оно может составлять несколько мОм.

Переходя к оценке быстродействия унитрона, напомним, что его работа не связана с инжекцией неосновных носителей и распространением их до стока. Инерционность унитрона обусловлена зарядом барьерных емкостей переходов.

Емкости переходов заряжаются через сопротивление канала. При этом разные участки емкостей заряжаются через разные сопротивления в зависимости от расстояния данного участка от истока (рис. 5.5). Чтобы не усложнять анализа, примем, что канал имеет одинаковое сечение на всем протяжении. Тогда средняя емкость одного из p-n переходов и среднее сопротивление канала будут иметь следующие значения:

182

Постоянная времени затвор-исток будет равна удвоенному произведению этих параметров, так как через сопротивление канала заряжаются одновременно обе емкости:

Постоянная времени τЗ зависит от толщины w.

В заключение заметим, что в режиме насыщения вольтамперная характеристика (5.5) хорошо аппроксимируется более простой квадратичной характеристикой.

Дифференцируя (5.9а), получаем выражение для крутизны

183

RC

UСИ

UЗИ RИ

Рис. 5.6 — Схема включения полевого транзистора с p-n переходом

Эквивалентная схема. Аналогия между полевыми транзисторами и электронными лампами объясняет сходство их эквивалентных схем (рис. 5.7); канал и управляющий p-n переход представлены сосредоточенными параметрами. Канал представлен дифференциальным сопротивлением и межэлектродной емкостью, величина которой определяется геометрией и материалом прибора.

Управляющий p-n переход представлен сопротивлением и усредненной емкостью. Сопротивлением затвора-истока часто пренебрегают в связи с его большой величиной; поэтому на рис. 5.7 оно показано пунктиром Усилительные свойства транзистора отражены генератором тока SUЗ. Сопротивления истока и стока показаны условно, так как их влияние автоматически учитывается при измерении параметров.

СЗС С

RС

И

Рис. 5.7 — Эквивалентная схема униполярного транзистора для переменных составляющих токов и напряжений

185

Вторая структура (рис. 5.8, б) характерна отсутствием структурно выраженного канала. Поэтому при нулевом смещении на затворе проводимость между истоком и стоком отсутствует: исток и сток образуют с подложкой встречно включенные р-n переходы. Тем более не может быть проводимости между истоком и стоком при положительной полярности смещения, когда к поверхности полупроводника притягиваются дополнительные электроны.

Однако при достаточно большом отрицательном смещении, когда приповерхностный слой сильно обогащается притянутыми дырками, между истоком и стоком образуется своего рода индуцированный (наведенный полем) канал, по которому может протекать ток. В настоящее время транзисторы с индуцированным каналом имеют наибольшее распространение, главным образом из-за простоты их изготовления.

Оба типа МДП-транзисторов могут изготовляться как с р-, так и с n-каналом, что дополнительно расширяет возможности их схемного применения.

Физические процессы. Рассмотрим работу МДП-транзис- тора с индуцированным р-каналом. Весь анализ справедлив и для транзисторов с n-каналом.

Ниже все напряжения и потенциалы записываются в виде их модулей, чтобы избежать знаков минуса, характеризующих отрицательную полярность смещений в транзисторах (p- или n-типа).

В отсутствие смещений приповерхностный слой полупроводника обычно обогащен электронами из-за наличия ловушек на границе Si-SiO2 и наличия положительных ионов в пленке диэлектрика. Соответственно энергетические зоны искривлены вниз, и начальный поверхностный потенциал ϕЗО отрицателен

(рис. 5.9, а).

По мере роста отрицательного смещения UЗ электроны отталкиваются от поверхности. При этом энергетические зоны сначала спрямляются, а затем искривляются вверх, т. е. поверхностный потенциал делается положительным.

Однако до тех пор, пока приповерхностная область сохраняет электронный тип проводимости или, точнее, пока сток и исток образуют с этой областью выпрямляющие контакты, проводимость

187

Дальнейший рост напряжения UЗ слабо влияет на величину ϕS , поскольку изменения последней всего на несколько ϕT до-

статочно для изменения концентрации дырок в десятки раз. Наряду с образованием дырочного канала под затвором об-

разуется также обедненный слой, в котором положительный заряд обусловлен обнаженными ионами доноров (рис. 5.9, б). Образование обедненного слоя вызвано отталкиванием основных носителей подложки — электронов — от поверхности.

Инверсионный слой значительно тоньше обедненного слоя. Толщина последнего обычно составляет сотни ангстрем, а толщина индуцированного канала составляет всего 10—20 Å.

Как видим, дырки буквально «прижаты» к поверхности полупроводника. Отсюда ясно, что структура и свойства границы полупроводник — диэлектрик играют в МДП-транзисторах исключительно важную роль.

Если в начальном состоянии все электроды МДП-тран- зистора находились при нулевом потенциале, а затем на затвор была подана ступенька напряжения UЗ>U0, то в первый момент поле будет иметь примерно такую конфигурацию, как показано на рис. 5.9, а.

Под действием этого поля электроны перемещаются в сторону от поверхности, обнажая ионы доноров и образуя обедненный слой, а дырки движутся к поверхности, накапливаются вблизи границы с диэлектриком.

С увеличением напряжения на стоке (при постоянном потенциале UЗИ ) ток IC сначала нарастает почти линейно (пока

дырочный канал вблизи стока слабо деформирован), затем нарастание тока замедляется.

Семейство характеристик МДП-транзистора показано на рис. 5.10.

В целом семейство вольт-амперных характеристик МДПтранзистора напоминает семейство характеристик унитрона

(рис. 5.4).

Как видим, крутизна линейно зависит от эффективного напряжения на затворе UЗ — U0, 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):

Из выражения (5.14) ясно, что крутизна МДП-транзистора возрастает с уменьшением толщины диэлектрика, а также с увеличением ширины канала Z.

Однако оба эти фактора одновременно способствуют увеличению емкости между затвором и каналом, которая описывается выражением

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

Отсюда следует, что основным средством повышения добротности 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 горизонтальными, а значит, Ri=∞ , μ = ∞ .

Разумеется, в области достаточно больших напряжений UC наступают предпробойные явления, а затем и пробой, сопровождающийся резким возрастанием тока IC и столь же резким уменьшением сопротивления Ri. В импульсных схемах МДПтранзистор работает в качестве ключа, и основной интерес представляют две крайние рабочие точки, соответствующие запертому и максимально открытому состоянию ключа (рис. 5.12).

Запертое состояние (точка I) характеризуется условием UЗ<U0. При этом в цепи стока протекает лишь некоторый остаточный 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 наноампер. Максимально открытое состояние ключа (точка 2) характерно большими значениями эффективного напряжения UЗ — U0 и расположением рабочей точки на крутом участке соответствующей вольт-амперной кривой. Обычно в открытом состоянии ток IC оказывается заданным внешней цепью, а интерес представляет остаточное напряжение UC0. Это напряжение легко определить из формулы (5.10), однако в общем виде выражение получается громоздким. На практике остаточное напряжение мало.

Тогда

Выражение (5.18) действительно при условии

UЗ – UO > (2—3)UCO.

Еще одним параметром, важным для характеристики открытого состояния ключа, является сопротивление на начальном

участке кривой IC (UC ) Дифференцируя (5.10) по UC, получаем:

Это же выражение можно получить непосредственно из формулы (5.18).