6.2. Характеристики моп пт в области отсечки

Как следует из уравнения (6.9), по мере роста напряжения исток‑сток V_DSв канале может наступить такой момент, когда произойдет смыкание канала, т.е. заряд электронов в канале в некоторой точке станет равным нулю. Это соответствует условию:

. (6.11)

Поскольку максимальная величина напряжения V(y) реализуется на стоке, то смыкание канала, или отсечка, произойдет у стока. Напряжение стокаV_DS, необходимое для смыкания канала, называется напряжением отсечкиV_DS^*. Величина напряжения отсечки определяется соотношением (6.11). На рисунке 6.4 показаны оба состояния – состояние плавного канала и отсеченного канала. С ростом напряжения стокаV_DSточка канала, соответствующая условию отсечки (6.11), сдвигается от стока к истоку. В первом приближении при этом на участке плавного канала от истока до точки отсечки падает одинаковое напряжение, не зависящее от напряжения исток‑сток. Эффективная длина плавного каналаL'от истока до точки отсечки слабо отличается от истинной длины каналаLи обычно. Это обуславливает в области отсечки в первом приближении ток стокаI_DS, не зависящий от напряжения стокаV_DS. Подставив значение напряжения отсечкиV_DS^*из (6.11) в (6.10) вместо значения напряжения стокаV_DS, получаем для области отсечки выражение для тока стока:

. (6.12)

Соотношение (6.12) представляет собой запись вольт-амперной характеристики МДП‑транзистора в области отсечки. Зависимости тока стока I_DS от напряжения на затвореV_GS называются обычно переходными характеристиками (рис. 6.5), а зависимости тока стока I_DSот напряжения на стокеV_DS – проходными характеристиками транзистора.

При значительных величинах напряжения исток‑сток и относительно коротких каналах (L = 10÷20 мкм) в области отсечки наблюдается эффект модуляции длины канала. При этом точка отсечки смещается к истоку и напряжение отсечкиV_DS^*падает на меньшую длинуканала. Это вызовет увеличение токаI_DSканала. Величина напряжения ΔV, падающая на участке ΔLот стока отсечки, будет равна:

. (6.13)

Рис. 6.4. Зависимость тока стокаI_DSот напряжения на стокеV_DSдля МОП ПТ при различных напряжениях на затворе. Пороговое напряжение V_T = 0,1 В. Сплошная линия – расчет по (6.10) и (6.12), точки – экспериментальные результаты

Поскольку напряжение ΔVпадает на обратносмещенномp‑n⁺переходе, его ширина ΔLбудет равна:

. (6.14)

Ток канала равен I_DSº, когда напряжение исток‑стокравно напряжению отсечки и величина ΔL = 0. ОбозначимI_DSток стока при большем напряжении стока:.

Тогда

. (6.15)

Следовательно, ВAX МДП‑транзистора с учетом модуляции длины канала примет следующий вид:

. (6.16)

Рис. 6.5. Зависимость тока стокаI_DSот напряжения на затвореV_GSв области плавного канала приV_DS = 0,1 B – кривая 1; зависимость корня из тока стокаот напряжения на затворе в области отсечки – кривая 2

Эффект модуляции длины канала оказывает большое влияние на проходные характеристики МДП‑транзистора с предельно малыми геометрическими размерами.

6.3. Эффект смещения подложки

Рассмотрим, как меняются характеристики МДП‑транзистора при приложении напряжения между истоком и подложкой. Отметим, что приложенное напряжение между истоком и подложкой при условии наличия инверсионного канала падает на обедненную область индуцированного р‑nперехода.

В этом случае при прямом его смещении будут наблюдаться значительные токи, соответствующие прямым токам р‑nперехода. Эти токи попадут в стоковую цепь и транзистор работать не будет. Поэтому используется только напряжение подложки, соответствующее обратному смещению индуцированного и истоковогор‑nперехода. По полярности это будет напряжение подложки противоположного знака по сравнению с напряжением стока. При приложении напряжения канал-подложка происходит расширение ОПЗ и увеличение заряда ионизованных акцепторов:

. (6.17)

Поскольку напряжение на затворе V_GSпостоянно, то постоянен и заряд на затворе МДП‑транзистораQ_m. Следовательно, из уравнения электронейтральности вытекает, что если заряд акцепторов в слое обедненияQ_Bвырос, заряд электронов в каналеQ_nдолжен уменьшиться. С этой точки зрения подложка выступает как второй затвор МДП‑транзистора, поскольку регулирует также сопротивление инверсионного канала между истоком и стоком.

При возрастании заряда акцепторов в слое обеднения возрастет и пороговое напряжение транзистора V_Т, как видно из (6.3). Изменение порогового напряжения будет равно:

. (6.18)

Поскольку смещение подложки приводит только к изменению порогового напряжения V_Т, то переходные характеристики МДП‑транзистора при различных напряжениях подложкиV_SSсмещаются параллельно друг другу. На рисунках 6.6, 6.7 показан эффект влияния смещения подложки на проходные и переходные характеристики.

Рис. 6.6. Влияние напряжения смещения канал-подложкаV_SSна проходные характеристики транзистора в области плавного каналаV_DS = 0,1 В

Рис. 6.7. Переходные характеристики МДП‑транзистора при нулевом напряжении смещения канал-подложка (сплошные линии) и при напряженииV_SS = -10 В (пунктирные линии)