МОП-транзисторов

Выходные и передаточные характеристики

Основной статической характеристикой прибора является выходная (стоковая) вольтамперная характеристика в схеме с общим истоком

I _С = I _С(V _СИ) при V_ЗИ = const. (2)

На ней различают крутую область (линейный режим), пологую область (режим насыщения) и область (режим) пробоя (рис. 6г). При V _ЗИ > V _T и V _СИ = 0 тока в канале нет, а МОП-структура находится в состоянии равновесия в режиме сильной инверсии.

Линейный режим

При V _ЗИ > V _T и малых положительных напряжениях V _СИ канала не перекрыт (рис. 6а) и вдоль него действует слабое электрическое поле, благодаря которому электроны (основные носители инверсного канала) совершают дрейф от истока к стоку.

Рис. 6. Работа МОП-транзистора с индуцированным каналом n -типа в статическом режиме (сечение МОП-транзистора при V _ЗИ > V _T и различных напряжениях V _СИ; графики выходных характеристик):

а – V _СИ » 0; б – V _СИ = V _{СИ нас} ~ (V _СИ – V _T); в – V _СИ > (V _ЗИ – V _T); г – графики выходных характеристик I _С = I _С(V _СИ) при различных V _ЗИ > V _T

Поэтому в начале крутой области выходная характеристика близка к линейной

I _С = Y _СИ · V _СИ ~ Q_n· V _СИ = C_OX(V _ЗИ - V _T) V _СИ. (3)

Здесь Y _СИ – проводимость канала. На этом этапе канал представляет собой резистор, сопротивление которого уменьшается обратно пропорционально напряжению (V _ЗИ - V _T). Чем больше V _ЗИ, тем круче идёт начальный участок ВАХ (см. рис. 6г). На рис. 6а и 6б показано, что по мере продвижения от истока к стоку «толщина» канала уменьшается, а ширина обеднённой области индуцированного p-n перехода возрастает. Это обусловлено падением напряжения V _СИ вдоль канала (рис. 7).

При отличном от нуля токе стока картина распределения потенциала в подзатворной области полупроводника становится двумерной (ширину канала считаем достаточно большой). Потенциал на поверхности подзатворной области полупроводника Ψ_S возрастает от истока к стоку, а разность потенциалов между затвором и подзатворной поверхностью индуцированного канала V _ЗК уменьшается в том же направлении. При этом напряжение V _КП на обеднённой области индуцированного p-n перехода канал - подложка возрастает по мере приближения к стоку, и её ширина увеличивается (см. рис. 6б,в). Уменьшение напряжения V _ЗК приводит к уменьшению удельного заряда электронов в канале Q_n. Об этом явлении говорят, что инверсный канал «сужается» по направлению к стоку. Если далее при V_З = const увеличивать напряжение V _СИ, то при определённом напряжении на стоке, называемом напряжением насыщения V _{СИ НАС} ~ (V _ЗИ – V _T), плотность поверхностного заряда электронов в инверсном канале у стока становится пренебрежимо малой. Принято говорить, что происходит перекрытие или отсечка канала у стока. На рисунках, соответствующих этому режиму, показывают уменьшение «толщины» канала у стока до нуля.

Режим насыщения

При V _СИ > V _{СИ НАС} канал перекрывается не в одной точке, а на участке конечной длины ΔL = L - L′ (см. рис. 6в). Область перекрытия канала представляет собой часть обеднённой области индуцированного p-n перехода, вышедшей на подзатворную поверхность полупроводника. С ростом напряжения V _СИ протяжённость перекрытой части канала ΔL растёт, а длина инверсного канала L′ = (L – ΔL) уменьшается, т.е. происходит модуляция длины канала под действием напряжения сток – исток. Потенциал (относительно истока) на «острие» канала в точке Y = L′ сохраняется на уровне V _{СИ НАС}, а к перекрытому участку канала, т.е. к подзатворной обеднённой области прикладывается остальная часть выходного напряжения (V _СИ - V _{СИ НАС}). Для стокового p-n перехода оно является обратным. (Следует отметить, что особенностью стокового p-n перехода в режиме отсечки канала является отсутствие квазинейтральной р - области вблизи подзатворной поверхности полупроводника). Напряжённость продольного электрического поля Е_У на участке перекрытия значительно больше, чем в неперекрытой части канала. Электроны, подходящие со стороны истока к «острию» канала экстрагируются сильным электрическим полем и переносятся к стоку, приобретая при этом скорость, близкую к предельной скорости дрейфа (для кремния предельная скорость дрейфа достигает величины 10⁷ см/с, что сравнимо со скоростью теплового хаотического движения носителей). Поэтому при перекрытии (отсечке) канала ток стока не прекращается, а напротив, даже растёт с увеличением напряжения V _СИ. Так происходит потому, что с ростом V _СИ длина инверсного канала L′ сокращается и сопротивление канала уменьшается, а приложенное к нему напряжение V _СИ ≈ V _{СИ НАС} остаётся неизменным. Напряжённость продольного электрического поля в канале Е_У возрастает, что и приводит к некоторому увеличению дрейфовой составляющей тока стока. Однако если ΔL << L, возрастание тока стока будет небольшим. Наклон пологой части выходной ВАХ невелик. Поэтому указанный режим работы МОП – транзистора называют режимом насыщения. Если же величина ΔL соизмерима с L, то изменение тока стока на рассматриваемом участке характеристики может быть достаточно заметным, и различие между крутой и пологой областями выходной характеристики выражено менее ярко. Подобное поведение ВАХ характерно для МОП – транзисторов с коротким каналом. Эффект модуляции длины канала в короткоканальных транзисторах проявляется гораздо заметнее, чем в длинноканальных.

Режим пробоя

В длинноканальных МОП-транзисторах при дальнейшем возрастании V _СИ напряжение, приложенное к перекрытой части канала, может достигнуть напряжения лавинного пробоя стокового p-n перехода. В подзатворной обеднённой области вблизи стока возникнут условия для лавинного умножения носителей. Соответствующий участок ВАХ пойдёт гораздо круче, чем в области насыщения (см. рис. 6г).

В короткоканальных транзисторах при достаточно больших значениях V _СИ область перекрытия канала может распространиться вплоть до истока. Произойдёт полное (сквозное) перекрытие канала, что соответствует смыканию обеднённых областей обоих p-n переходов – истокового и стокового. При этом продольная составляющая электрического поля Е_У заметно возрастает во всей подзатворной области. Вследствие этого снижается потенциальный барьер для электронов на истоковом p-n переходе, и резко возрастает инжекция электронов из истока в подзатворную область (истоковый p-n переход включён в прямом направлении). Захваченные сильным полем инжектированные электроны переносятся к стоку. Всё это приводит к заметному росту тока стока. Т.о. сквозное перекрытие канала может стать разновидностью пробоя МОП – транзистора. Следует также отметить, что для в рассматриваемом режиме для истокового n⁺-p перехода, как и для стокового, отсутствует квазинейтральная р – область в подзатворной части полупроводника, а имеются лишь области обеднения. Формируется своеобразная n⁺- обеднённая область - n⁺- структура, в которой протекают явления инжекции и экстракции основных для канала носителей заряда.

Передаточные характеристики МОП - транзисторов

Наряду со стоковыми (выходными) характеристиками большой интерес представляют и сток-затворные или передаточные характеристики МОП - транзисторов, представляющие собой зависимость тока стока от напряжения на затворе при том или ином фиксированном значении напряжения сток-исток

I_С = I_С(V _ЗИ) при V _СИ = const. (4)

Напряжение V _СИ выбирают, как правило, в области насыщения. Для их построения можно воспользоваться сечением семейства выходных характеристик линией V _СИ = const. Перестроением точек пересечения линий в координатах ток стока – напряжение затвор-исток получают передаточные характеристики, изображённые схематически на рис. 8.

Передаточная характеристика, соответствующая крутой области стоковых характеристик, где V _СИ < V _{СИ НАС}, близка к линейной, поскольку в этой области ток стока пропорционален удельному заряду инверсного слоя I_С ~ Q_n ~ (V _ЗИ – V _T) (кривая для V_СИ ' на рис. 8). Передаточные характеристики, соответствующие области насыщения, квадратично зависят от напряжения на затворе I_С ~ (V _СИ – V _T)² (кривые для V_СИ '' и V_СИ ''' на рис. 8). На выходных характеристиках указанное свойство полевых транзисторов проявляется как неэквидистантность семейства кривых в области насыщения, построенных для напряжений на затворе, изменяющихся с постоянным шагом.

Если вывод подложки не соединён накоротко с затвором, и можно независимо изменять её потенциал относительно истока, то напряжение V _ПИ становится ещё одним параметром передаточных характеристик. На рис. 6. показано схематически семейство сток-затворных характеристик МОП-транзистора с индуцированным каналом, измеренных при V _СИ = const в области насыщения, но при разных V _ПИ. Как видим, при увеличении обратного напряжения на p-n переходе исток-подлжка увеличивается пороговое напряжение МОП транзистора, и передаточные характеристики смещаются вправо.

Дата добавления: 2014-11-18