Полевой транзистор

Рис. 2.43. Структура МДП-транзистора с измененной шириной канала при протекании тока  (а); его выходные характеристики с индуцированным (б) и встроенным (в) каналами: I крутая область; II - пологая область, или область насыщения; III - область пробоя; 1 - обеденный слой

Как и полевые транзисторы с управляющим -переходом, МДП-транзисторы при малых напряжениях (в области  рис. 2.43, б, в) ведут себя подобно линеаризованному управляемому сопротивлению. При увеличении напряжения  ширина канала уменьшается вследствие падения на нем напряжения и изменения результирующего электрического поля. Это особенно сильно проявляется в той части канала, которая находится вблизи стока (рис. 2.43, а). Перепады напряжения, создаваемые током , приводят к неравномерному распределению напряженности электрического поля вдоль канала, причем оно увеличивается по мере приближения к стоку. При напряжении  канал вблизи стока становится настолько узким, что наступает динамическое равновесие, когда увеличение напряжения  вызывает уменьшение ширины канала и повышение его сопротивления. В итоге ток  мало меняется при дальнейшем увеличении напряжения . Эти процессы изменения ширины канала в зависимости от напряжения  такие же, как и в полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом.

Выходные характеристики МДП-транзисторов аналогичны характеристикам полевых транзисторов с управляющим  (рис. 2.43, б, в). В них можно выделить крутую и пологую области, а также область пробоя. В крутой области  МДП-транзистор может работать как электрически управляемое сопротивление. Пологая область II обычно используется при построении усилительных каскадов. Аналитические аппроксимации вольт-амперных характеристик МДП-транзисторов не очень удобны и мало применяются в инженерной практике. При ориентировочных оценках тока стока в области насыщения можно использовать уравнение

где .

Для транзисторов с встроенным каналом можно использовать уравнения (2.79), если  заменить  и учитывать знаки напряжений  и .

Управляющее действие подложки можно учесть путем введения коэффициента влияния по подложке

где  характеристики по подложке, которая показывает, на сколько следовало бы изменить напряжение на затворе, чтобы при изменении напряжения подложки  ток стока  остался неизменным. Тогда при одновременном действии напряжений на затворе и подложке в выражения (2.79) — (2.80) вместо  следует подставлять  ().

При использовании подложки в качестве управляющего электрода целесообразно рассматривать выходные характеристики, специально определенные при разных напряжениях на подложке (рис. 2.44, а).

Рис. 2.44. Выходные характеристики МДП-транзистора при различных напряжениях на подложке и характеристики -транзисторов с индуцированным и технологическим встроенными каналами (б) и при разных напряжениях на подложке ) (в); упрощенные эквивалентные схемы МДП-транзистора .

Иногда снимают стокозатворные характеристики, которые наглядно показывают влияние на ток стока напряжений  (рис. 2.44, б, в). Из рис. 2.44 видно, что пороговое напряжение  существенно зависит от напряжения на подложке.

Инерционные свойства МДП-транзисторов зависят от скорости движения носителей заряда в канале, межэлектродных емкостей  (рис. 2.44, г) и значений сопротивлений, через которые эти емкости заряжаются. При этом ввиду малого времени пробега носителей заряда через канал, который обычно имеет длину  мкм, влиянием последнего обычно пренебрегают.

Значения емкостей, входящих в эквивалентную схему рис. 2.44, г, не всегда известны. К тому же часть из них меняется в зависимости от напряжений на электродах, например . Поэтому на практике часто измеряют входную емкость с общим истоком , выходную  и проходную . Они характеризуют параметры полевого транзистора, который при заданном режиме измерения представлен эквивалентной схемой рис. 2.44, д. Она хуже отражает особенности транзистора, но ее параметры известны или легко могут быть измерены (входная емкость , проходная емкость , выходная емкость ).

Операторное уравнение крутизны характеристики МДП-транзисторов имеет тот же вид, что и для полевых транзисторов с управляющим  При этом постоянная времени . В типовом случае при длине канала 5 мкм предельная частота, на которой крутизна характеристики уменьшается в 0,7 раза,  лежит в пределах нескольких сотен мегагерц.

Температурная зависимость порогового напряжения и напряжения отсечки обусловлена изменением положения уровня Ферми, изменением объемного заряда в обедненной области и влиянием температуры на значение заряда в диэлектрике. У МДП-транзисторов также можно найти термостабильную рабочую точку, в которой ток стока мало зависит от температуры. У разных транзисторов значение тока стока в термостабильной точке находится в пределах . Важным преимуществом МДП-транзисторов перед биполярными является малое падение напряжения на них при коммутации малых сигналов. Так, если в биполярных транзисторах в режиме насыщения напряжение  принципиально не может быть меньше нескольких десятков — сотен , то у МДП-транзисторов при малых токах  это падение напряжения, когда транзистор работает в крутой области, мало и определяется током  и сопротивлением канала :

Рис. 2.45. Включения МОП-транзистора с технологически встроенным каналом  в схему с общим истоком, при котором постоянное напряжение LCM обеспечивает режимы обеднения (а) и обогащения носителями заряда (б); включение в схему с общим стоком (в); включение тетродного транзистора в схему с общим истоком (г)

При уменьшении  оно может быть сведено до значения, стремящегося к нулю. Так как широкое распространение получили МДП-транзисторы с диэлектриком из диоксида кремния , то в дальнейшем будем их называть МОП-транзисторами.

В настоящее время промышленность также выпускает МОП-транзисторы с двумя изолированными затворами (тетродные), например . Наличие второго затвора позволяет одновременно управлять током транзистора с помощью двух управляющих напряжений, что облегчает построение различных усилительных и умножительных устройств. Характеристики их аналогичны характеристикам однозатворных полевых транзисторов, только количество их больше, так как они строятся для напряжения каждого затвора при неизменном напряжении на другом затворе. Соответственно различают крутизну характеристики по первому и второму затворам, напряжение отсечки первого и второго затворов и т. д. Подача напряжений на затворы ничем не отличается от подачи напряжения на затвор однозатворного МОП-транзистора.

Включение МОП полевых транзисторов в схеме показано на рис. 2.45, 2.46.

На рис. 2.45, а, б показаны полярности постоянного напряжения UCM, обеспечивающего режимы обеднения и обогащения канала -типа носителями заряда.

Рис. 2.46. Включение МОП-транзистора с индуцированным каналом -типа в схему с общим истоком (а) и общим стоком (б)

На рис. 2.45, в показана схема с общим стоком, в которой  обедняет канал носителями заряда. Аналогично включен тетродный МОП-транзистор (рис. 2.45, г), который обеспечивает перемножение напряжений .

В МОП-транзисторах с индуцированным каналом, включенных в схемы с общим истоком (рис. 2.46, а) и общим стоком (рис. 2.46, б), постоянное напряжение  должно превышать пороговое. В противном случае канал не появится и транзистор будет заперт.