Полевой эффект и его применение (стр. 4 из 19)
Когда напряжение на стоке превысит определенную величину (рис. 7,г), происходит перекрытие канала вблизи стока, и ток через прибор выходит на насыщение так же, как и в транзисторе с управляющим р-n-переходом. Эффекты укорочения канала и электростатической обратной связи, приводящие к тому, что дифференциальное сопротивление стока на практике остается конечным, будут рассмотрены в гл. 7.
Для приборов, в которых диэлектриком является окисный слой (МОП-транзисторы), существенную роль играет положительный заряд, присутствующий в окисле. Действие этого заряда эквивалентно наличию положительного напряжения на затворе, так что в случае полупроводника р-типа инверсионный слой существует уже при нулевом управляющем напряжении. Для n-полупроводника присутствие положительного пространственного заряда в окисле вызывает образование слоя с повышенной концентрацией электронов (n+), поэтому для создания инверсионного слоя напряжение на затворе должно превышать некоторую пороговую величину, достаточную для нейтрализации этого заряда. Таким образом, проводимость канала МОП-транзистора на подложке р-типа (n-канал) можно увеличивать или уменьшать в зависимости от полярности напряжения на затворе. В случае же подложки n-типа (р-канал) при VGS=0 канал отсутствует и для его создания необходимо приложить VGS<0, т. е. такие приборы могут работать только в режиме обогащения канала неосновными носителями (дырками). МОП-транзисторы с n-каналом принято называть транзисторами с обеднением, несмотря на то, что они могут работать также и в режиме обогащения канала неосновными носителями (электронами). Типичные стоковые характеристики обоих типов МОП-транзисторов приведены на рис. 8.
Выше предполагалось, что подложка легирована относительно слабо. О возрастанием степени легирования для образования инверсионного слоя необходимо прикладывать большее напряжение к затвору. Увеличивая концентрацию легирующей примеси в приборах на подложке р-типа, можно нейтрализовать действие положительного заряда в окисле и получить МОП-транзистор с индуцированным n-каналом.
Напряжение на затворе, при котором ток стока уменьшается до нуля, называется пороговым напряжением W, причем VT<0 для транзисторов как с р-, так и с n-каналом (см. рис. 8).
Минимальное напряжение сток — исток, необходимое для достижения насыщения, как и в случае ПТУП,
.Приближенное выражение для тока стока в области до насыщения легко может быть получено при следующих упрощающих предположениях [9, 22]:
а) влияние поверхностных ловушек и контактные разности потенциалов не учитываются;
б) в диэлектрике присутствует фиксированный заряд с поверхностной плотностью Qss;
в) данный заряд на затворе наводит равный по величине и противоположный по знаку подвижный заряд вблизи поверхности полупроводника;
г) эффективная подвижность носителей в канале считается не зависящей от электрического поля в полупроводнике.
Для прибора, изображенного на рис. 9, ток ID, протекающий по каналу, создает падение напряжения V(y) по отношению к истоку, так что на расстоянии у от истока напряжение между затвором и каналом будет
. Тогда заряд, наводимый в полупроводнике на элементе площади Zdy, будет 
(1.4),где
— удельная емкость диэлектрика; x0 — его толщина; 
— диэлектрическая проницаемость окисла; 
— пороговое напряжение.Если весь наведенный заряд подвижен, то
, (10)где
— эффективная подвижность электронов в инверсионном слое.Подставляя (25) в (10), находим
(11)Интегрируя (11) по y и учитывая, что V(L)=VDS, V(0) = 0, получаем
(12) 
Рис. 9. Схематическое изображение n-канального МДП-транзистора
Так как ID не зависит от у, то из (12) следует:
(13)Выражение (13) справедливо при условии
(n-канал); 
(р-канал).При
происходит перекрытие канала, при этом ток стока согласно (1-8) достигает наибольшего значения 
.Будем считать, что ток стока в области насыщения остается постоянным и равным
. Тогда из (1.8) следует, что передаточная характеристика в области насыщения имеет квадратичную форму: 
(14),где
Величина KN является удобным коэффициентом для оценки качества работы прибора на низких частотах.
Крутизна передаточной характеристики при насыщении, как следует из (14), линейно зависит от VGS:
(15)Используя (14) и (15), KN можно выразить через
и 
: 
(16)Для промышленных приборов эти параметры легко могут быть измерены или оценены из паспортных данных.
Экспериментально найдено, что для большинства МОП-приборов сопротивление сток — исток в режиме насыщения обратно пропорционально току стока. Поэтому максимальный коэффициент усиления по напряжению
с помощью (16) может быть представлен в виде 
Таким образом, для получения большого усиления по напряжению необходимо уменьшать ток стока.Эквивалентная схема МОП-транзистора на низких частотах имеет такой же вид, как и для ПТУП (рис. 5). Ток утечки затвора типичного МОП-прибора составляет »10-15 А, т. е. на несколько порядков меньше тока затвора ПТУП. В специальных конструкциях МОП-ПТ с охранными кольцами ток утечки затвора может быть уменьшен до 10-17 А, что делает такие транзисторы идеальными приборами для электрометрических измерений.
Упрощенная высокочастотная эквивалентная схема МОП-ПТ (рис. 10) отличается от соответствующей схемы ПТУП (рис. 6) добавлением емкостей Сbd и Cbsn+-р-переходов подложка сток и подложка — исток и последовательного сопротивления Rd- Кроме того, в схему включен конденсатор Cgb, учитывающий емкость вывода затвора и емкость, обусловленную влиянием напряжения затвора на заряд обедненной области подложки. В режиме инверсии Cgb обычно мала, однако при запертом транзисторе ее величина может составлять значительную часть общей входной емкости.
Сопротивление Rd может иметь заметную величину для приборов со встроенным каналом. В таких транзисторах для уменьшения емкости затвор—сток, затвор размещается так, чтобы он не перекрывался со стоком. Вследствие этого проводимость небольшой части канала вблизи стока не модулируется напряжением на затворе, что приводит к появлению последовательного сопротивления стока порядка нескольких сотен Ом. Очевидно, что в приборах с индуцированным каналом затвор должен перекрываться с истоком и стоком, так как немодулируемая часть канала представляла бы собой разрыв цепи.
В заключение данного раздела отметим некоторые особенности схемных применений разных типов МОП-транзисторов.
Поскольку в приборах со встроенным каналом длина затвора обычно меньше расстояния сток—исток, они обладают лучшими высокочастотными свойствами из-за меньшей величины входной емкости. Другое достоинство транзисторов этого типа — возможность получения равенства потенциалов входа и выхода в схеме истокового повторителя.
Существенным преимуществом приборов с индуцированным каналом является простота построения на их основе усилителей напряжения, а также логических и запоминающих схем с гальваническими связями.
Рис. 10. Упрощенная высокочастотная эквивалентная схема МОП-ПТ
1.5 Пленочные полевые транзисторы (ППТ)
Тонкопленочные транзисторы, в отличие от МДП-ПТ, создаются на диэлектрической подложке. Это существенно упрощает проблему изоляции большого количества элементов при конструировании интегральных схем.