Характеристики МДП-транзистора в области отсечки

1.6 Характеристики МДП-транзистора в области отсечки

Как следует из уравнения (1.10), по мере роста напряжения исток-сток V_DS в канале может наступить такой момент, когда произойдет смыкание канала, т. е. заряд электронов в канале в некоторой точке станет равным нулю. Это соответствует условию:

V(y) = V_os-VT≡V^*_DS (1.12)

Поскольку максимальная величина напряжения V(y) реализуется на стоке, то смыкание канала, или отсечка, первоначально произойдет у стока. Напряжение стока V_DS, необходимое для смыкания канала, называется напряжением отсечки V^*_DS. Величина напряжения отсечки определяется соотношением (1.12). На рис. 1.10 показан канал, отсеченный у стока [5].

Рисунок 1.10 - Схема p-канального МДП-транзистора при напряжении на стоке, равном напряжению отсечки

С ростом напряжения стока V_DS точка канала, соответствующая условию отсечки (1.12), сдвигается от стока к истоку. В первом приближении при этом на участке плавного канала от истока до точки отсечки падает одинаковое напряжение V^*_DS= V_GS- V_T, не зависящее от напряжения исток-сток. Эффективная длина плавного канала L от истока до точки отсечки слабо отличается от истинной длины канала L и обычно ΔL = L-L«L. Это обуславливает в области отсечки в первом приближении ток стока I_DS, не зависящий от напряжения стока V_DS. На рис. 1.11 показана схема p-канального МДП-транзистора при напряжении на стоке, большем напряжения отсечки. Из этого же рисунка видно, как точка отсечки смещается от стока по мере роста напряжения на стоке.

Рисунок 1.11 - Схема p-канального МДП-транзистора при напряжении на стоке, большем напряжения отсечки

Подставив значение напряжения отсечки V^*_DS из (1.12) в (1.11) вместо значения напряжения стока V_DS, получаем для области отсечки выражение для тока стока:

(1.13)

Соотношение (1.13) представляет собой запись вольт-амперной характеристики МДП-транзистора в области отсечки. Зависимости тока стока I_DS от напряжения на затворе V_GS называются обычно переходными характеристиками, а зависимости тока стока I_DS от напряжения на стоке V_DS - проходными характеристиками транзистора. На рис. 1.12 приведены зависимости тока стока I_DS от напряжения на стоке V_DS для МДП-транзистора при различных напряжениях на затворе, рассчитанные по соотношениям (1.11) и (1.13) [6].

Рисунок 1.12 - Зависимость тока стока I_DS от напряжения на стоке V_DS для МДП ПТ при различных напряжениях на затворе. Пороговое напряжение V_T = 0,1 В. Сплошная линия - расчет по (1.11) и (1.13). Пунктир - расчет по (1.17) с учетом модуляции длины канала

При значительных величинах напряжения исток-сток и относительно коротких каналах (L = 10÷20 мкм) в области отсечки наблюдается эффект модуляции длины канала. При этом точка отсечки смещается к истоку и напряжение отсечки V^*_DS падает на меньшую длину L′ канала. Это вызовет увеличение тока I_DS канала. Величина напряжения Δ V, падающая на участке ΔL от стока отсечки, будет равна:

∆V(∆L) = V_DS-V*_DS =V_DS-(V_GS-V_T). (1.14)

На рис. 1.12 этот эффект модуляции длины канала наглядно виден.

Поскольку напряжение ΔV падает на обратносмещенном p-n⁺-переходе, его ширина ΔL будет равна:

(1.15)

Ток канала равен I_DS0, когда напряжение исток-сток V_DV=V^*_DS = V_GS -V_T равно напряжению отсечки и величина ΔL = 0. Обозначим IDS ток стока при большем напряжении стока: V_DS > V^*_DS .

Тогда:

I_0DS .L = I_DS-(L-∆L). (1.16)

Таким образом, ВAX МДП-транзистора с учетом модуляции длины канала примет следующий вид:

(1.17)

Эффект модуляции длины канала оказывает большое влияние на проходные характеристики МДП-транзистора с предельно малыми геометрическими размерами, поскольку в этом случае величина ΔL сравнима с длиной канала L. На рис. 1.12 пунктиром показаны зависимости тока стока от напряжения на стоке в области отсечки с учетом модуляции длины канала [10].

.

Рисунок 1.13 – Зависимости:

1 - тока стока IDS от напряжения на затворе V_G в области отсеченного канала;

2 - корня из тока стока  от напряжения на затворе в области отсечки

Отметим, что эффект модуляции длины канала для полевых транзисторов по физической природе аналогичен эффекту модуляции ширины базы (эффект Эрли) для биполярных транзисторов. На вольт-амперных характеристиках транзисторов этот эффект также проявляется аналогично - в зависимости выходного тока от выходного напряжения.

Как видно из уравнения (1.13), в области отсечки ток стока I_DS квадратично зависит от приложенного к затвору транзистора напряжения V_G. На рис. 1.13 показана эта зависимость (кривая 1) и эта же зависимость, построенная в координатах от напряжения V_G (кривая 2). На практике экстраполяция прямолинейного участка этой зависимости определяет значение порогового напряжения [8].

 
1.7 Влияние типа канала на вольт-амперные характеристики МДП-транзисторов

Вид вольт-амперной характеристики МДП-транзистора в значительной мере зависит от типа полупроводниковой подложки и типа инверсионного канала. В том случае, если при нулевом напряжении на затворе V_G = 0 инверсионный канал отсутствует, а по мере увеличения напряжения на затворе V_G > V_T появляется, такой инверсионный канал называют индуцированным. Если же при нулевом напряжении на затворе V_G = 0 инверсионный канал уже сформирован, такой инверсионный канал называют встроенным. МДП-транзисторы с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе всегда закрыты, а МДП-транзисторы со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе всегда открыты.

Зависимость тока стока I_DS от напряжения на стоке V_DS при различных на-пряжених на затворе V_G называют проходными характеристиками МДП-транзистора, а зависимость тока стока I_DS от напряжения на затворе V_G при различных напряжениях на стоке V_DS называют переходными характеристиками МДП-транзистора. В том случае если напряжение на стоке V_DS больше, чем напряжение отсечки V^*_DS , на переходных характеристиках ток стока I_DS от напряжения на стоке V_DS не зависит.

На рис. 1.14 приведены вольт-амперные характеристики (проходные и переходные) n-канальных и p-канальных МДП-транзисторов с индуцированным и встроенным каналами. Здесь же указаны схемотехнические обозначения разных видов МДП-транзисторов. Из анализа этих вольт-амперных характеристик можно еще раз получить представление о знаках напряжений, подаваемых на затвор и сток МДП-транзисторов в активном режиме [9].

Рисунок 1.14 - Вольт-амперные характеристики n-канальных и p-канальных МДП-транзисторов с индуцированным и встроенным каналами.