Крутизна стокозатворной характеристики

(7.57)

определяется при постоянных напряжениях U_си и U_пи (напряжение подложка – исток). Для пологих участков выходных характеристик (U_си > U_{си нас}) крутизна с учетом (7.56) не зависит от U_си, но почти линейно зависит от эффективного напряжения затвора (U_зи – U_пор):

(7.58)

Для повышения крутизны необходимо уменьшать толщину подза­творного окисла С_ок (чтобы увеличить емкость окисла С_ок в соответ­ствии с (7.46)), увеличивать ширину канала w, уменьшать длину ка­нала L и увеличивать подвижность носителей μ_n в канале. Крутизна при прочих равных условиях в n-канальных транзисторах выше, чем в р-канальных, из-за большей подвижности электронов.

Дифференциальное (внутреннее) сопротивление

(7.59)

Наименьшее значение R_i соответствует крутым участкам выход­ных характеристик. На пологих участках (насыщение) сопротивле­ние с учетом (7.56) и (7.52)

(7.60)

Коэффициент усиления по напряжению

(7.61)

учитывает относительное влияние напряжения U_си и U_зи на ток стока I_с.

Напряжение пробоя стокового перехода. В МДП-транзисторах наблюдается лавинный пробой на краевых участках стокового пере­хода у поверхности. Этот пробой ограничивает максимальное зна­чение напряжения стока.

Напряжение пробоя подзатворного диэлектрика ограничива­ет максимальное значение напряжения затвора. Напряжение про­боя диэлектрика зависит от его материала и толщины. Для двуоки­си кремния SiО₂ критическая напряженность электрического поля, приводящая из-за прохождения тока к разрушению диэлектрика, Е_кр ≈ 10⁷ В/см. При толщине слоя 0,05 мкм напряжение пробоя со­ставит 50 В. Следует отметить, что если затвор отключен (разорва­на его цепь), то на затворе, имеющем большое сопротивление, мо­жет накапливаться заряд статического электричества и возникать большое напряжение, приводящее к пробою. Значительный заряд может появиться даже при прикосновении руки. Поэтому МДП-транзисторы требуют выполнения определенных мер предо­сторожности. Транзисторы выпускаются с временными металличе­скими перемычками между затвором и выводами истока и стока. Перемычки снимаются после того, как транзистор впаян в схему. Для защиты от пробоя применяются цепи блокировки затвора, не допускающие повышения напряжения на нем до напряжения про­боя. Используются также заземляющий браслет для руки и зазем­ление паяльника.

Собственное быстродействие МДП-транзистора ограничено двумя причинами. Основное ограничение определяется временем переноса носителей заряда через канал, которое приходилось учи­тывать и в биполярных транзисторах. Кроме того, быстродействие ограничено временем перезаряда емкостей, свойственных самой структуре прибора.

Анализ ограничений на быстродействие МДП-транзистора зави­сит от того, находится он в режиме насыщения или нет. Анализ в ре­жиме насыщения существенно проще, и его результаты применимы для большинства реальных приложений.

Доказывается, что в режиме насыщения распределение про­дольной напряженности поля в канале может быть представлено приближенной формулой [18]:

(7.62)

Время пролета через канал t_np при изменяющейся скорости V_y= –μ_nЕ_у(y) может быть определено как

(7.63)

Знак минус появился из-за противоположных направлений скорости и напряженности поля. Подставив (7.62) в (7.63) и произведя интег­рирование, получим

(7.64)

Для n-канального МДП-транзистора с L = 3 мкм, μ_n= 660 см²/В·с и U_зи – U_nop = 5 В из (7.64) получается время пролета 3,6· 10^-11 с. Это время по крайней мере на порядок меньше, чем самые малые времена переключения, которые можно получить в схемах на МДП-транзисторах. Следовательно, можно сделать важный вывод, что собственное быстродействие МДП-транзисторов определяется не временем пролета носителей через канал, а временем, необхо­димым для перезаряда емкостей самого прибора и элементов, с ко­торыми он соединен в схеме. Поэтому переходные процессы в схе­мах на МДП-транзисторах можно рассчитывать в предположении, что мгновенные значения токов транзистора определяются уравне­ниями статических характеристик этого прибора.

Влияние температуры. Основными физическими причинами изменения тока стока МДП-транзисторов является температур­ная зависимость подвижности носителей заряда μ в канале, поро­гового потенциала φ_пор и величины положительного поверхност­ного заряда.

Подвижность носителей заряда в канале уменьшается с ростом температуры из-за усиления эффекта рассеяния [4], что должно приводить к уменьшению дрейфового тока в канале (тока стока) и снижению крутизны транзистора. Пороговый потенциал, а следова­тельно, и пороговое напряжение U_nop уменьшаются с ростом темпе­ратуры. Поэтому должно происходить увеличение тока стока. Таким образом, оба фактора оказывают на ток стока противоположное воз­действие и могут скомпенсировать друг друга. Другими словами, в МДП-транзисторе существует на характеристике такая рабочая точ­ка, в которой ток стока не зависит от температуры (термостабиль­ная точка). Это является большим преимуществом МДП-транзисто­ров перед биполярными. Следует отметить, что термостабильная точка соответствует малому току стока, однако это не является пре­пятствием при создании многих электронных устройств с повышен­ной температурной стабильностью.

Наличие термостабильной точки характерно и для полевого транзистора с управляющим переходом, но в нем учитываются тем­пературные зависимости подвижности носителей в канале и кон­тактной разности потенциалов в переходе, влияющей на напряже­ние отсечки: в термостабильной точке воздействия обоих факторов на ток стока компенсируются.