Рисунок 1.10 - Схема p-канального МДП-транзистора при напряжении на стоке, равном напряжению отсечки
С ростом напряжения стока VDS 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= VGS- VT, 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 IDS, не зависящий от напряжения стока VDS. 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 VDS, 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 IDS от напряжения на затворе VGS называются обычно переходными характеристиками, а зависимости тока стока IDS от напряжения на стоке VDS - проходными характеристиками транзистора. На рис. 1.12 приведены зависимости тока стока IDS от напряжения на стоке VDS для МДП-транзистора при различных напряжениях на затворе, рассчитанные по соотношениям (1.11) и (1.13) [6].
Рисунок 1.12 - Зависимость тока стока IDS от напряжения на стоке VDS для МДП ПТ при различных напряжениях на затворе. Пороговое напряжение VT = 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 IDS канала. Величина напряжения Δ V, падающая на участке ΔL от стока отсечки, будет равна:
∆V(∆L) = VDS-V*DS =VDS-(VGS-VT). (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 IDS0, когда напряжение исток-сток VDV=V*DS = VGS -VT равно напряжению отсечки и величина ΔL = 0. Обозначим IDS ток стока при большем напряжении стока: VDS > V*DS .
Тогда:
I0DS .L = IDS-(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 VG 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 IDS квадратично зависит от приложенного к затвору транзистора напряжения VG. На рис. 1.13 показана эта зависимость (кривая 1) и эта же зависимость, построенная в координатах от напряжения VG (кривая 2). На практике экстраполяция прямолинейного участка этой зависимости определяет значение порогового напряжения [8].
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 VG = 0 инверсионный канал отсутствует, а по мере увеличения напряжения на затворе VG > VT появляется, такой инверсионный канал называют индуцированным. Если же при нулевом напряжении на затворе VG = 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 IDS от напряжения на стоке VDS при различных на-пряжених на затворе VG называют проходными характеристиками МДП-транзистора, а зависимость тока стока IDS от напряжения на затворе VG при различных напряжениях на стоке VDS называют переходными характеристиками МДП-транзистора. В том случае если напряжение на стоке VDS больше, чем напряжение отсечки V*DS , на переходных характеристиках ток стока IDS от напряжения на стоке VDS 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.
1.8 Эквивалентная схема и быстродействие МДП-транзистора
Исходя из общефизических соображений, МДП-транзистор можно изобразить в виде эквивалентной схемы, представленной на рис. 1.15. Здесь Rвх обусловлено сопротивлением подзатворного диэлектрика, входная емкость СBX - емкостью подзатворного диэлектрика и емкостью перекрытия затвор - исток. Паразитная емкость Спар обусловлена емкостью перекрытий затвор - сток. Выходное сопротивление Rвых равно сопротивлению канала транзистора и сопротивлению легированных областей истока и стока. Выходная емкость Свых определяется емкостью р-n-перехода стока. Генератор тока i1 передает эффект усиления в МДП-транзисторе [3].
Рисунок 1.15 - Простейшая эквивалентная схема МДП-транзистора
Определим быстродействие МДП-транзистора исходя из следующих соображений. Пусть на затвор МДП-транзистора, работающего в области отсечки, так что Vgs = Vds = Vпит, подано малое переменное напряжение ũ = u0sin(ωt).
Тогда за счет усиления в стоковой цепи потечет ток i1, равный:
=S·ũ (1.18)
Одновременно в канал с электрода затвора потечет паразитный ток смещения через геометрическую емкость затвора, равный:
= й2πfCOXWL (1.19)
С ростом частоты выходного сигнала f паразитный ток будет возрастать и может сравниваться с током канала за счет эффекта усиления. Определим граничную частоту работы МДП-транзистора f =fмакс, когда эти токи будут равны. Получаем с учетом (6.22):
(1.20)
Поскольку напряжение исток-сток VDS порядка напряжения VGS - VT, то, используя определение дрейфовой скорости
(1.21)
можно видеть, что предельная частота усиления fмакс определяется временем пролета τ электронов через канал транзистора:
(1.22)
Оценим быстродействие транзистора.
Пусть величина подвижности μn = 500 см2/(В·с),длина канала L = 10 мкм = 10-3 см, напряжение питания Vпит = 10 В. Подставляя эти значения в (1.20), получаем, что максимальная частота для МДП-транзистора составляет величину порядка fмакс ≈ 1 ГГц. Заметим, что собственное быстродействие транзистора обратно пропорционально квадрату длины инверсионного канала. Поэтому для повышения быстродействия необходимо переходить на субмикронные длины канала.
2 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК МДП-ТРАНЗИСТОРА НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ
Арсени́д га́ллия (GaAs) — химическое соединение галлия и мышьяка. Важный полупроводник, третий по масштабам использования в промышленности после кремния и германия. Используется для создания высокочастотных интегральных схем, светодиодов, лазерных диодов, диодов Ганна, туннельных диодов и транзисторов.
Некоторые электронные свойства GaAs превосходят свойства кремния. Арсенид галлия обладает более высокой подвижностью, позволяющей работать на частотах 250 ГГц.
Также приборы на основе GaAs генерируют меньше шума, чем кремниевые устройства на той же операционной частоте. Из-за более высокого напряжения пробоя в GaAs чем в Si эти приборы могут работать при большей мощности. Эти свойства делают GaAs широко применяемым в мобильных телефонах, твердотельных лазерах, некоторых радарных системах. Полупроводниковые приборы на основе арсенида галлия имеют более высокую радиационную стойкость, чем кремниевые, что обуславливает его использование при наличии радиационного излучения (например, в солнечных батареях в космической технике).
GaAs — прямозонный полупроводник, что также является его преимуществом. GaAs может быть использован в оптических приборах: светоизлучающих диодах, твердотельных лазерах.
Страницы: 1, 2, 3, 4
