Вольт-амперные характеристики МДП-транзистора

Выходной характеристикой МДП-транзистора называется зависимость выходного тока стока I_c от выходного напряжения - напряжения U_си. На рис. 7 и 8 представлены вольтамперные характеристики, типичные для МДП-транзистора с индуцированным и встроенным каналом.

Рис. 7 Передаточные и выходные ВАХ p-канального МДП-транзистора

Рис. 8. ВАХ МДП-транзистора со встроенным каналом

Как видно из графиков, на характеристиках МДП-транзистора можно выделить две области: участок крутого нарастания тока стока I_c с увеличением напряжения U_си и пологий участок, на котором I_c меняется незначительно, поэтому эту область часто моделируют горизонтальными прямыми вплоть до напряжения пробоя.

Переход с одного участка выходной ВАХ на другой происходит при достижении граничного значения напряжения стока:

(9)

С увеличением напряжения на затворе, граница, разделяющая крутую и пологую области, сдвигается в область больших напряжений сток-исток. На графике зависимости I_c=f(U_си) можно выделить три основные рабочие области (рис. 9):

Рис. 9 Выходные ВАХ МДП-транзистора

1 – область отсечки выходного тока: транзистор заперт (U_зи<U_п), в цепи протекает малый обратный ток, обусловленный утечкой и обратным током стокового pn-перехода.

2 – активная область (пологая часть выходных ВАХ U_з>U_п, U_си >U_{си гр}) – область, где ток I_c остается практически неизменным с ростом напряжений U_си.

3 – область открытого состояния (крутая часть ВАХ): ток I_c в этой области задается внешней цепью.

Таким образом, в области 1 рабочая точка находится, если МДП-транзистор, как и биполярный, работающий в ключевом режиме, заперт, в области 3 – если открыт. В активной области 2 рабочая точка находится, если МДП-транзистор работает в усилительном режиме.

В области 4 наступают предпробойные явления, сопровождающиеся резким увеличением тока I_c. Область пробоя определяет выбор предельно допустимых напряжений.

Для получения аналитического выражения, позволяющего описать ВАХ МДП-транзистора, сделаем следующие основные допущения:

· одномерное приближение, т.е. концентрации носителей и потенциалы по сечению канала постоянны;

· на поверхности выполняется условие сильной инверсии (U_зи>U_п);

· заряд на поверхностных состояниях постоянен и не зависит от изгиба зон;

· дрейфовые токи значительно больше диффузионных токов и последними можно пренебречь;

· подвижность носителей заряда в канале постоянна.

Плотность тока в канале можно определить по закону Ома:

(10)

где σ_с – удельная (приходящаяся на единицу площади) проводимость канала, E(x)= dV/dx – напряженность продольного электрического поля в канале.

(11)

где– подвижность носителей в канале (– для канала p-типа и – для канала n-типа), – концентрация основных носителей в канале, – удельный заряд индуцированных носителей:

Qинд = Cз[Uз - Uпор - U(x)],

(12)

где С_з – емкость затвора, U(x) – потенциал в точке канала х. Тогда из (11) можно получить:

(13)

Умножив (10) на ширину канала W (рис. 6) и выполнив разделение переменных, можно получить:

(14)

Откуда получим ток стока в линейной области характеристик при единичной глубине канала:

(15)

При увеличении напряжения на стоке, потенциал U(L)=U_с стремится к U_з и при некотором U_с=U_сo инверсия в некоторой, находящейся вблизи стока точке отсечки исчезает, канал перекрывается областью, обедненной носителями. Начиная с этого момента, ток стока образуется носителями, которые дрейфуют по проводящему каналу и затем инжектируются в обедненную область, расположенную около стока. Дальнейшее увеличение напряжения на стоке будет приводить к весьма слабому возрастанию тока стока, поскольку все приращение напряжения будет осуществляться за счет падения напряжения на перекрытой ОПЗ пристоковой области канала. При этом ток стока будет определяться падением напряжения от истока до точки отсечки, положение которой при увеличении напряжения на стоке остается почти постоянным. Небольшое смещение точки отсечки за счет расширения обедненной области при возрастании потенциала стока приведет к некоторому увеличению тока стока. Таким образом, при U_з > U_со исток-стоковая вольт-амперная характеристика будет переходить из крутой области в пологую. Значение U_со = 0 найдем из следующего условия:

Qинд(L) = 0 = Cз (Uз – Uпор – Uco).

(16)

Откуда U_co = U_з - U_п.

Подставим это значение U_co вместо U_c в (15), найдем выражение для выходных вольтамперных характеристик МДП–транзистора в пологой области:

(17)

Это выражение описывает передаточную характеристику для МДП–транзистора (см. рис. 8.7, б).

Используя (8.23), получим выражение для определения крутизны характеристики: