подложка МОП-транзисторов делается из материала с высоким удельным сопротивлением - для облегчения образования канала и увеличения пробивного напряжения переходов стока и истока;
механизм работы МОП-транзисторов с n- и p-каналами одинаков, а принципиальная разница в свойствах дана выше;
сочетание МОП-транзисторов с n- и p-каналами получило название комплементарных пар, или дополняющих транзисторов (рис. 3.9); при таком включении МОП-транзисторы работают в режиме малого потребления мощности, так как при любой полярности входного сигнала один из транзисторов всегда закрыт и в цепи течет лишь ток неосновных носителей.
Рис. 3.9. Комплементарная пара на МОП-транзисторах
3.3.2. Стоковые характеристики и параметры МОП-транзисторов
. (3.7)
Дальнейшее изменение напряжения на стоке почти не вызывает прироста тока стока. Таким образом, статическая стоковая характеристика МОП-транзистора при любом типе канала, как и у транзистора с управляемым p-n-переходом, состоит из крутого и пологого участков (рис. 3.10, а, б).
Рис. 3.10. Стоковые ВАХ МОП-транзистора: а - с индуцированным каналом; б - со встроенным каналом
В пределах крутого участка ток стока является функцией двух напряжений (Uзи и Uси), а на пологих - функцией одного (напряжения на затворе Uзи). Крутые участки статических стоковых ВАХ используются в импульсном режиме, а пологие - в усилительном.
Использование в импульсном режиме крутых участков ВАХ диктуется необходимостью получения возможно малого остаточного напряжения на открытом транзисторе.
При инженерном проектировании усилительных каскадов достаточную точность расчета обеспечивает следующая аппроксимация вольтамперных характеристик:
а) для крутых участков ВАХ, где Uси < Uзи - Uo), ток стока является
функцией двух напряжений:
(3.8)
где b - удельная крутизна МОП-транзистора, мА/В2;
где Сo - удельная емкость между металлом и поверхностью полупроводника (затвор-канал), определяет управляющую способность затвора, пФ/мм2:
где d - толщина диэлектрика ( d = 0,1-0,15 мкм).
Ключевые схемы работают на крутых участках ВАХ, то есть при очень малом остаточном напряжении на открытом МОП-транзисторе (порядка
0,1 В и меньше), следовательно, справедливо выражение Uси << (Uзи - Uо), а потому в формуле (3.8) можно пренебречь квадратичным членом, в результате чего она принимает вид
(3.9)
Сопротивление канала
R0 = 1 / b(Uзи - U0). (3.10)
Как видно из (3.10) сопротивление канала можно регулировать в широких пределах , изменяя напряжение на затворе.
При Uси > Uсин ток стока остается без изменения: Iс = Iсн, поэтому,подставив в формулу (3.10) значение , получим выражение (3.11) для пологих участков ВАХ;
б) для пологих участков ВАХ
(3.11)
Из выражения (3.11) можно получить значение крутизны МОП-транзистора
S = b(Uзи - U0).
За номинальный ток МДП-транзистора принимается ток, соответствующий напряжению на затворе Uзи » 2Uo, следовательно S = bU0
. (3.12)
При номинальном токе через транзистор напряжение насыщения стока Uсин = Uо.
Примечание 1. Формулы, описывающие крутые и пологие участки вольт-амперных характеристик МОП-транзистора, справедливы для транзисторов, у которых концентрация примеси не превышает 1015см- 3. Если оговаривается более высокая концентрация примеси, то необходимо ввести поправочный коэффициент h в формулу (3.9), описывающую крутую часть стоковой ВАХ.
(3.13)
где
jпм - контактная разность потенциалов между полупроводником и металлом; а - коэффициент, характеризующий влияние объемного заряда в подложке,
где N - концентрация примеси.
Как только напряжение на стоке достигнет значения насыщения Uсн, ток стока становится функцией лишь напряжения на затворе
() и напряжение насыщения
(3.14)
Следовательно, для пологой части ВАХ при высокой концентрации примеси справедливо выражение
(3.15)
Примечание 2. Проведенный анализ ВАХ МОП-транзистора справедлив для наиболее распространенного режима, когда исток транзистора соединен с подложкой. Если между подложкой и истоком приложено напряжение, то возможно «двойное управление током», так как ток стока становится фактически функцией двух напряжений, и в этом случае в формулу (3.15) необходимо внести соответствующую поправку, которая учитывает возможность двойного управления током:
Напряжение между подложкой и истоком Uпи берется по модулю. Как видно из последнего выражения, наличие напряжения между подложкой и истоком равносильно увеличению порогового напряжения.
Преимуществом МОП-транзисторов перед канальными является более высокое быстродействие, что объясняется меньшей длиной его канала.
Недостатком МОП-транзисторов в сравнении с канальными является наличие шумовых флуктуаций и нестабильность характеристик во времени. У канальных транзисторов этот недостаток отсутствует, так как у них канал отделен от поверхности обедненным слоем, что гарантирует отсутствие дефектов кристаллической решетки, загрязнений, поверхностных каналов - все то, что у МОП транзисторов является причиной шумовых флуктуаций и нестабильности характеристик.
3.4. Инженерные модели полевых транзисторов
3.4.1. Полевой транзистор с управляемым p-n-переходом
По правилам строгая эквивалентная схема канального транзистора предполагает использование модели с распределенными параметрами, так как области канала и затвора представляют собой распределенную RC-цепь. Однако расчеты, связанные с такой моделью, получаются неоправданно сложными, поэтому в инженерной практике используют эквивалентную схему с сосредоточенными параметрами (рис. 3.11). Схема дана без учета индуктивностей выводов полевого транзистора (ПТ), влияние которых проявляется в диапазоне частот свыше 300 мГц. В схеме:
S*(w) - действующая крутизна транзистора;
Сзи, Сзс, Rзи, Rзc - соответственно емкости и сопротивления обратносмещенного перехода;
