10.3. Характеристики и параметры мдп-транзисторов

Рассмотрим принцип действия МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа.

При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток pn-перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока (рис. 10.17).
	Рис. 10.17

При постепенном увеличении положительного относительно истока напряжения ина затворе образуется положительный заряд, а в приповерхностном слое полупроводника сначала образуется слой, обедненный основными носителями подложки (в данном случае - дырками).

При дальнейшем росте свободные электроныp-полупроводника подложки (собственные, а не примесные) перемещаются в приповерхностную область под затвором и образуют индуцированный (наведенный полем) инверсный (с инверсной по отношению кp-полупроводнику подложки проводимостью) слой, который и представляет собой каналn-типа между истоком и стоком (рис. 10.18).

Напряжение , при котором возникает канал, называется пороговым. Канал отделяется от подложки отрицательными ионами акцепторов, т.е. обедненным носителями заряда слоем. Припроисходит обогащение поверхностного слоя электронами и уменьшение сопротивления канала. Такой режим работы МДП-транзистора называется режимом обогащения. В МДП-транзисторах с индуцированным каналом существует только режим обогащения.

Рис. 10.18

Если и напряжение, то при протекании по каналу тока стокаэквипотенциальная картина поля, изображенная на рис. 10.18, нарушается. Потенциал поверхности под действием тока стока увеличивается по направлению от истока к стоку, а разность потенциалов между затвором и поверхностью уменьшается, что в конечном итоге сужает канал. При увеличении напряженияток стокатоже растет с постепенным замедлением скорости роста. Когда падение напряжения на объемном сопротивлении канала от протекающего тока стокаскомпенсирует превышение напряжениянад пороговым, напряжение между стоком и затвором станет равными у стока произойдет смыкание обедненного слоя с поверхностью полупроводника, препятствуя дальнейшему росту тока стока(рис. 10.19).

Это называется насыщением тока стока. Напряжение , при котором происходит насыщение тока стока, называется напряжением насыщения.

Рис. 10.19

При дальнейшем увеличении напряжения сверхток стоканезначительно увеличивается только в силу уменьшения длины канала и, следовательно, уменьшения сопротивления канала (рис. 10.20).

Рис. 10.20

Явление переноса носителей заряда (в данном случае электронов) из канала через обедненную область в сток подобно переходу зарядов из базы в коллектор биполярного транзистора через обратно смещенный pn-переход под действием его поля. Все приращения напряжениясверхприкладываются в основном к высокоомной обедненной области, расположенной у стока, в результате чего ток стокапочти не увеличивается.

Напряжение существенно зависит от напряжения на подложке, так как с его ростом увеличивается область, обедненная зарядами. Обычно в МДП-структурах сn-каналом на подложку подают наиболее отрицательный потенциал схемы, чтобы переход «исток - подложка» всегда был закрыт. Влияние постоянного напряжения между истоком и подложкой можно учесть, включив его с определенным коэффициентом в выражение для.

На рис. 10.17 – 10.20 проведены четкие границы между зарядовыми областями МДП-структуры. Реально изменение концентраций зарядов плавное, и резко обозначенных границ между областями зарядов не существует.

При больших напряжениях на стоке может произойти пробой МДП-транзистора, при этом может быть два вида пробоя: пробойpn-перехода под стоком и пробой диэлектрика под затвором. Пробойpn-перехода обычно имеет лавинный характер, так как МДП-транзисторы изготавливаются обычно на основе кремния. При этом на пробивное напряжениеможет влиять напряжение на затворе: так как на сток и на затвор МДП-транзистора с индуцированным каналом подаются потенциалы одной полярности, то с увеличением напряжения на затворе будет увеличиваться. Пробой диэлектрика под затвором может происходить при напряжении на затворе всего в несколько десятков вольт, так как толщина слоя диоксида кремния около 0,1 мкм. Пробой обычно имеет тепловой характер. Этот вид пробоя может возникать в результате накопления статических зарядов, так как входное сопротивление МДП-транзисторов велико. Для исключения возможности такого вида пробоя вход МДП-транзистора часто защищают стабилитроном, ограничивающим напряжение на затворе.

Семейство статических характеристик приМДП-транзистора с индуцированным каналом, построенное в соответствии со сказанным приведено на рис. 10.21.

	Сравнивая выходные статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом с аналогичными ВАХ биполярного транзистора, можно сделать вывод о том, что вид характеристик качественно примерно одинаков – имеется
Рис. 10.21

участок резкого изменения тока и участок, на котором изменение тока мало.

Параметром семейства выходных характеристик биполярного транзистора является ток базы – прибор управляется током; для МДП-транзистора с индуцированным каналом параметром семейства выходных характеристик является напряжение на затворе - прибор управляется напряжением. С увеличением напряжениясопротивление канала уменьшается, и ток стокавозрастает – характеристика идет выше. Выходные ВАХ МДП-транзистора выходят из начала координат, в то время как выходные ВАХ биполярного транзистора могут быть сдвинуты по оси напряжений.

На графике семейства приМДП – транзистора с индуцированным каналом (рис. 10.21) можно выделить три основные рабочие области:

1 – область отсечки выходного тока: транзистор закрыт (), и в цепи стока протекает малы ток , обусловленный утечкой и обратным током стокового перехода (10^-6А)4

2 – активная область (пологая часть выходных ВАХ, для которой и) – область, где выходной токостается практически неизменным с ростом;

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

Таким образом, в области 1 рабочая точка находится, если МДП-транзистор заперт, в области 3 – если открыт; эти области соответствуют статическим состояниям МДП-транзистора в ключевом режиме эксплуатации. Активная область (область 2) для ключевого режима МДП-транзистора является областью динамического состояния: в этой области рабочая точка находится кратковременно в течение переходного процесса из одного статического состояния в другое (из закрытого в открытое и наоборот).

В активной области рабочая точка находится при эксплуатации МДП-транзистора в усилительном режиме, когда между входными и выходными сигналами сохраняется линейная зависимость.

В области 4 достаточно больших напряжений наступают предпробойные явления, а затем и пробой, сопровождающийся резким увеличением тока. Область пробоя определяет выбор предельно допустимых напряжений.

Характер статических характеристик передачи приясен из принципа действия МДП-транзистора с индуцированным каналом. Характеристики для разных напряженийвыходят из точки на оси абсцисс, соответствующей.(рис. 10.22).

	С увеличением напряжения на стоке при неизменном напряжении на затворе ток стока возрастает даже в пологой части выходных статических характеристик, что приводит к смещению характеристик передачи вверх в выбранной системе координат.
Рис. 10.22

Интересным и важным с точки зрения применения МДП-транзисторов является температурное изменение статических характеристик передачи. Эти изменения вызваны различными физическими процессам, которые приводят к тому, что с увеличением температуры пороговое напряжение уменьшается.

В результате статические характеристики передачи для неизменного напряжения на стоке, но для разных температур пересекаются (рис. 10.23). Таким образом, температурные изменения тока стока при неизменных напряжениях на МДП-транзисторе могут
	Рис. 10.23

быть как отрицательными, так и положительными, а также нулевыми в определенной рабочей точке статических характеристик.

Обычно эффект температурной компенсации получается при напряжениях на затворе, незначительно превышающих . Кроме того, еще надо учитывать, что крутизнахарактеристики передачи, определяющая усилительные свойства МДП-транзистора, изменяется с температурой даже при неизменном постоянном токе стока.

Рассмотрим принцип действия МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа (рис. 10.24).

	Проводящий канал под затвором МДП-транзистора может быть создан в результате локальной диффузии или ионной имплантации соответствующих примесей в приповерхностный слой подложки, а также за счет других технологических приемов при изготовлении транзистора.
Рис. 10.24

Модуляция сопротивления проводящего канала может происходить при изменении напряжения на затворе как положительной, так и отрицательной полярности. При напряжениях ичерез каналn-типа течет ток. Если, то затвор заряжается отрицательно, а в расположенном под ним приповерхностном слое вследствие ухода из него свободных электронов появляется положительный заряд ионов. Обедненный основными носителями слой увеличивает сопротивление канала. При достиженииобедненный слой перекрывает канал, и ток через него не течет. Имеет место режим отсечки. Припроисходит обогащение канала носителями заряда (в данном случае электронами), его сопротивление уменьшается, что приводит к увеличению тока стока.

Таким образом, МДП-транзистора со встроенным каналом может работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения канала носителями заряда.

Семейство выходных статических характеристик и статическая характеристика передачи МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа приведены на рис. 10.25.

выходные статические характеристики	характеристика передачи
Рис. 10.25