Курсовая работа: Расчет и проектирование МДП-транзистора

Рисунок 1.12 - Зависимость тока стока I_DS от напряжения на стоке V_DS для МДП ПТ при различных напряжениях на затворе. Пороговое напряжение V_T = 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 I_DS канала. Величина напряжения Δ V, падающая на участке ΔL от стока отсечки, будет равна:

∆V(∆L) = V_DS -V*_DS =V_DS -(V_GS -V_T ). (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 I_DS0 , когда напряжение исток-сток V_DV =V^* _DS = V_GS -V_T равно напряжению отсечки и величина ΔL = 0. Обозначим IDS ток стока при большем напряжении стока: V_DS > V^* _DS .

Тогда:

I_0DS .L = I_DS -(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 V_G 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 I_DS квадратично зависит от приложенного к затвору транзистора напряжения V_G . На рис. 1.13 показана эта зависимость (кривая 1) и эта же зависимость, построенная в координатах от напряжения V_G (кривая 2). На практике экстраполяция прямолинейного участка этой зависимости определяет значение порогового напряжения [8].

1.7 Влияние типа канала на вольт-амперные характеристики МДП-транзисторов

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 V_G = 0 инверсионный канал отсутствует, а по мере увеличения напряжения на затворе V_G > V_T появляется, такой инверсионный канал называют индуцированным. Если же при нулевом напряжении на затворе V_G = 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 I_DS от напряжения на стоке V_DS при различных на-пряжених на затворе V_G называют проходными характеристиками МДП-транзистора, а зависимость тока стока I_DS от напряжения на затворе V_G при различных напряжениях на стоке V_DS называют переходными характеристиками МДП-транзистора. В том случае если напряжение на стоке V_DS больше, чем напряжение отсечки V^* _DS , на переходных характеристиках ток стока I_DS от напряжения на стоке V_DS 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 R_вх обусловлено сопротивлением подзатворного диэлектрика, входная емкость С_BX - емкостью подзатворного диэлектрика и емкостью перекрытия затвор - исток. Паразитная емкость С_пар обусловлена емкостью перекрытий затвор - сток. Выходное сопротивление R_вых равно сопротивлению канала транзистора и сопротивлению легированных областей истока и стока. Выходная емкость С_вых 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 V_gs = V_ds = V_пит , подано малое переменное напряжение ũ = u₀ sin(ω_t ).

Тогда за счет усиления в стоковой цепи потечет ток i₁ , равный: