6. Коэффициент усиления

1) Режим модуляции длины канала

При реализуется режим модуляции длины канала. Ток стока и крутизна определяются из (4.5) и (4.6) с заменой :

; (6.1)

, (6.2)

где . (6.3)

Выходную проводимость можно представить в виде:

, или

Дифференцируя (5.14) и (6.1) по L_ef с учетом (6.3), получим:

;

;

. (6.4)

Коэффициент усиления находится перемножением соотношений (6.2) и (6.4). Вместе с (5.14) получим следующую систему уравнений:

. (6.5)

. (5.14)

Эти два уравнения определяют K как функцию трех переменных:

, и.

Для анализа целесообразно выбрать

().

Выбор обусловлен следующими соображениями:

1) гарантируется работа транзистора в пологой области ВАХ ();

2) в практических схемах всегда напряжение питания больше ;

3) уравнение (5.14) заметно упрощается.

При уравнения (6.5) и (5.14) имеют вид:

. (6.6а)

. (6.6б)

У

Рис. 6.1. Зависимости . Параметр .

10

10²

10

1.0

L /a= 6

L /a = 4

L /a = 2

L /a = 1

K_GST = ch(L /a)-1

Насыщение скорости во всем канале

V_GST/V_L

Модуляция длины канала

равнения (6.6) дают зависимостьв параметрической форме (параметр), представленную сплошными линиями на рис. 6.1.

Сильная модуляция длины канала

Длинный канал

0.01 0.1 1.0 10 100

0.1

K_GST = 2V_L /V_GST

Приведены данные моделей МДПТ с длиной канала L = 0,18 мкм:

- п-канал (E_S = 15 кВ.см), - р-канал (E_S = 60 кВ.см).

Уравнения (6.6) позволяют выделить следующие предельные режимы работы транзистора:

А). —режим длинного канала.

Реализуется при . При этом из (6.6а):

. (6.7а)

Б). –режим сильной модуляции длины канала.

Реализуется при . При этом из (6.6а):

. (6.7б)

Зависимости (6.7) показаны штриховыми линии на рис. 7.1.

В) Режим насыщения скорости.

В этом режиме , и эффективная длина канала. Из (6.6а) получим:

(6.8в)

(сплошные линии на рис. 6.1).

В общем случае для оценки коэффициента усиления использовать приближеные соотношения):

(7.7)

Выводы

1. В короткоканальных МДПТ коэффициент усиления определяется параметрами

V_GST /V_L и L/a,

где V_L = E_S *L, , L — длина канала,

E_S — поле насыщения скорости носителей, l — толщина ОПЗ, d_ef = d*( /_d)— эффективная толщина диэлектрика.

2. При требование K_GST > 3 может быть выполнено только в режиме длинного канала при условии V_GST /V_L < 0,5. Для кремниевого п-МДПТ это условие дает: (мкм)(B).

3. Для всех значений V_GST /V_L K_GST > 3 при L/a > 4.

Проведенный анализ показывает, что для сохранения коэффициента усиления в короткоканальных МДПТ следует уменьшать значение параметра . Физический механизм действия этого параметра иллюстрируется рисунком 6.2.

Рис. 6.2. Механизм влияния параметра на коэффициент усиления МДПТ

Добавка поля dE_y на участке dy : dE_y ~ 1/a . Уменьшение параметра а ускоряет рост потенциала канала по направлению к стоку при фиксированном V_GS .

Это приводит к увеличению напряжения V_DS и, следовательно, к снижению выходной проводимости G и повышению коэффициента усиления K = g / G .

В МДПТ с субмикроными размерами канала толщину ОПЗ l трудно сделать менее 0,1 мкм. Поэтому эффективным способом уменьшения параметра а является снижение эффективной толщины диэлектрика d_ef (уменьшение толщины диэлектрика d и увеличение его диэлектрической проницаемости _d ).

17