МДП-транзистор с индуцированным каналом

Принцип действия. При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n- перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры рисунок 28а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших U_{ЗИ пор}) у поверхности полупроводника под затвором возникают обедненный основными носителями заряда слой и область объемного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших порогового U_{ЗИ пор}, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсионный слой, который и является проводящим каналом между истоком и стоком. С изменением напряжения на затворе концентрация основных носителей заряда в проводящем канале, а так же, а так же толщина или поперечное сечение проводящего канала, т.е. происходит модуляция сопротивления проводящего канала. Основной причиной модуляции сопротивления проводящего канала в МДП-транзисторах с индуцированным каналом является изменение концентрации носителей заряда в проводящем канале; в полевых транзисторах с управляющим переходом – изменение толщины или поперечного сечения канала.

В связи с тем, что затвор отделен от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи ничтожно мал, мала мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электрических сигналов по напряжению и по мощности.

Выходные статические характеристики. Характер зависимости I_С= f(U_СИ) при U_ЗИ= const для МДП-транзистора с индуцированным каналом аналогичен характеру таких же зависимостей для полевого транзистора с управляющим переходом.

Рисунок 26. Выходные статические характеристики (а) и статические характеристики передачи (б) МДП-транзистора с индуцированным каналом[7].

Рисунок 27. Распределение напряженности электрического поля у поверхности полупроводника под затвором при напряжении на стоке, превышающем напряжение насыщение[7]

Сулинейность крутых частей характеристик (рисунок 26 а) объясняется уменьшением толщины канала около стока при увеличении напряжения на стоке и неизменном напряжение на затворе, так как на сток и на затвор подаются потенциалы одного знака относительно истока. Следовательно, разность потенциалов между истоком и затвором или между затвором и прилегающей к стоку частью канала уменьшается. Поэтому при увеличении тока стока происходит уменьшение поперечного сечения канала около стока.

При напряжении насыщения U_{СИ НАС} происходит перекрытие канала около стока и дальнейшее увеличение напряжения на стоке вызывает очень малое увеличение тока стока. Распределение напряженности электрического поля у поверхности полупроводника при напряжении на стоке, превышающем напряжение насыщения, т.е. для пологой части выходных характеристик, показано на рисунке 27. На расстоянии ι₁ от сильнолегированной области истока преобладает нормальная составляющая напряженности электрического поля, созданная напряжением на затворе. На этом участке существует инверсионный слой у поверхности полупроводника. На расстоянии ι₂ от сильнолегированной области стока преобладает касательная составляющая электрического поля, созданная напряжением на стоке относительно истока. Несмотря на то, что на участке канала протяженностью ι₂ нормальная составляющая напряженности имеет другое направление и отталкивает дырки от поверхности полупроводника, через этот перекрытый участок канала идет ток, связанный с движением под действием сильного тянущего поля (касательной составляющей).

При увеличении напряжения на затворе (по абсолютному значению) выходные статические характеристики смещаются в область больших токов стока (рисунок 26 а), что легко понять на основе принципа действия МДП-транзистора, при этом может быть два вида пробоя: пробой p-n- перехода под стоком и пробой диэлектрика под затвором.

Статические характеристики передачи. Характер зависимости I_С= f(U_ЗИ) при U_СИ= const ясен из принципа действия МДП-транзистора с индуцированным каналом. Характеристики для разных напряжений на стоке выходят из оси абсцисс, соответствующей пороговому напряжению U_{ЗИ ПОР} (рисунок 26б). С увеличением напряжения на стоке при неизменном напряжении на затворе ток стока возрастает даже в пологой части статических характеристик (рисунок 26а), что приводит к смещению характеристик передачи вверх в выбранной системе координат.

Интересным и важным с точки зрения применения МДП-транзисторов является температурное изменение статических характеристик передачи. С увеличением температуры в рабочем диапазоне температур уменьшается подвижность носителей заряда, что приводит к уменьшению тока стока. Так же происходит перераспределение носителей по энергиям и смещение уровней Ферми к середине запрещенной зоны. В связи с таким смещением уровня Ферми инверсионный слой образуется у поверхности полупроводника при меньших напряженностях электрического поля. Поэтому с увеличением температуры пороговое напряжение U_{ЗИ ПОР} уменьшается. В результате статические характеристики передачи для неизменного напряжения на стоке, но для разных температур пересекаются

Таким образом, температурные изменения тока стока при неизменных напряжениях на МДП-транзисторе могут быть как отрицательными, так и положительными; а также нулевыми в определенной рабочей точке статических характеристик. Обычно эффект температурной компенсации получается при напряжениях на затворе, не значительно превышающих пороговое напряжение U_{ЗИ ПОР}. Кроме того, еще надо учитывать, что крутизна характеристики S, определяющая усилительные свойства МДП-транзистора, изменяется с температурой даже при неизменном постоянном токе стока[9,7].

3.4 МДП-транзисторы со встроенным каналом