МДП - транзисторы с индуцированным каналом

Из рис. 9 видно, что области истока и стока образуют p – n переходы с областью подложки, поэтому область подложки отделена от этих областей диодной изоляцией. Чтобы при работе транзистора ток не замыкался через подложку, потенциал на ней, особенно относительно истока, должен быть запирающим. Поэтому у МДП – транзисторов имеется дополнительный вывод подложки который соединяется либо с истоком накоротко, либо подключается к точке схемы, потенциал которой выше потенциала истока.

При условиях и ток стока будет представлять собой обратный ток запертого p – n перехода между подложкой и стоком, т.е. будет ничтожно мал. При отрицательном напряжении на затворе относительно истока (см. рис.9,а) под воздействием электрического поля у поверхности полупроводника под затвором возникает обедненный основными носителями заряда слой. Свободные электроны вытесняются полем вглубь подложки, но притоку дырок в поверхностный слой препятствует положительный объемный заряд ионизированных атомов примеси. При дырки, неосновные носители в подложке, уже могут преодолеть противодействие объемного положительного заряда и заполняют поверхностный слой, формируя тем самым проводящий канал между истоком и стоком. Изменения напряжения на затворе изменяют концентрацию носителей заряда в канале и толщину проводящего канала, т.е. изменяется его сопротивление. Основной причиной модуляции сопротивления канала является изменение концентрации носителей в МДП – транзисторах с индуцированным каналом, а в МДП – транзисторах со встроенным каналом и в ПТУП – изменение поперечного сечения (или толщины) канала. При изменениях сопротивления канала изменяется и ток стока. Так происходит управление током стока.

Так как затвор изолирован от подложки диэлектриком, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и потребляемая от источника сигнала мощность в цепи затвора и необходимая для управления достаточно большим током стока. МДП – транзисторы с индуцированным каналом могут усиливать электрические сигналы по напряжению и по мощности.

Выходные статические характеристики МДП – транзисторов по характеру аналогичны выходным ВАХ ПТУП (рис.10). Уравнение крутого участка ВАХ получается в виде:

(2.18)

где: - удельная крутизна; - пороговое напряжение. Уравнение (2.18) описывает выходную ВАХ в области 3. Ток достигает максимума при напряжении на стоке, равном граничному значению

. (2.19)

После точки кривые, построенные по (2.18), отклоняются от реальных ВАХ транзистора. Геометрическое место точек () представляет собой параболу

, (2.20)

которая делит семейство ВАХ на крутую часть (слева от параболы) и пологую, где (2.18) уже не справедливо. Уравнение, описывающее пологую часть можно получить, если считать в первом приближении ток стока на этом участке 1, 2 не зависящим от . Тогда ток стока на этом участке будет постоянен и равен граничному :

(2.21)

Нелинейность крутых частей ВАХ в области 3 объясняется уменьшением толщины канала по мере приближения к стоку. По мере увеличения напряжения на стоке и неизменном напряжении того же знака на затворе это сужение будет все больше, пока при напряжении не произойдет перекрытия канала около стока. Дальнейшее увеличение напряжения вызовет лишь небольшое увеличение тока стока .

Распределение напряженности электрического поля в канале при , т.е. для пологой части ВАХ, показано на рис.11. Ось x направлена вдоль канала, x = 0 соответствует началу канала у границы области истока, x = - конец канала у границы области стока. Напряжение можно считать линейно возрастающим вдоль канала от 0 у истока до у стока. Тогда на расстоянии от истока напряженность электрического поля в канале Е положительна, т.е. способствует притоку дырок в канал, а на расстоянии от стока она отрицательна, то есть отталкивает дырки, движущиеся к каналу. Но на этом же участке преобладает касательная составляющая электрического поля Е_τ, созданная отрицательным относительно истока напряжением . Благодаря этому через этот перекрытый участок канала идет ток дырок, обусловленный касательной составляющей электрического поля.

Увеличение тока стока в пологой части характеристики можно учесть с помощью внутреннего сопротивления МДП – транзистора :

Тогда уточненное уравнение ВАХ в области насыщения (1, 2) принимает вид:

(2.22)

При больших может наступить пробой МДП – транзистора, причем он может быть двух видов: пробой p – n перехода под стоком и пробой диэлектрика под затвором (область 4 рис.10).

Пробой p – n перехода носит лавинный характер, т.к. МДП - транзисторы изготавливают на кремнии. На пробивное напряжение влияет напряжение на затворе: т.к. и одной полярности, то с ростом будет расти и (см.рис.10).

Пробой диэлектрика под затвором может наступить при в несколько десятков вольт, т.к. толщина диэлектрика под затвором очень мала ( 0,1 мкм). Этот пробой имеет тепловой характер. Он может возникнуть даже за счет накопления статических зарядов, т.к. входное сопротивление МДП – транзисторов очень велико. Для предупреждения такого пробоя на входе МДП – транзистора часто ставят стабилитрон, ограничивающий напряжение .

Статические характеристики передачи (проходные, сток - затворные ) представляют зависимость при . Семейство характеристик передачи представлено на рис.12. ВАХ начинаются в точке на оси входного напряжения , соответствующий . Это понятно, так как только при индуцируется проводящий канал и появляется ток стока . С увеличением параметра характеристик зависимости смещаются вверх. Это легко объяснить на основе выходных характеристик МДП – транзистора, например. Из рис.10 видно, что с ростом и при ток стока возрастает на любом участке выходной ВАХ, но с разными значениями положительной производной: на крутом участке 3 ток растет резко – производная большая, на пологом участке 1, 2 изменение тока с ростом незначительно – производная мала. На рис.12 значениям из области 3 рис.10 соответствуют кривые при и , а остальные кривые соответствуют значениям , т.е. области 1, 2.

Сток – затворные характеристики в активном режиме усилительной области работы 1, 2 МДП – транзистора хорошо описываются выражением (2.21), из которого для крутизны этой характеристики получаем:

(2.23)

Крутизна пропорциональна введенной ранее удельной крутизне , физический смысл которой проясняется анализом (2.23). Действительно, при В значение , т.е. удельная крутизна – это крутизна прибора при эффективном управляющем напряжении . Выразив из (2.21) через ток стока и подставив это выражение в (2.23), получим зависимость крутизны от тока стока :

(2.24)

Это выражение, также как и исходное (2.21), справедливо только в активной (пологой) области работы МДП – транзистора.