При заземленных стоке и истоке затвор управляет зарядом в канале - области, расположенной > поверхности подложки между стоком и истоком. При подаче на затвор отрицательного смещения условия в объеме кремния изменяются. По мере того как на затворе накапливается отрицательный заряд, свободные электроны, присутствующие в кремнии я-типа, вытесняются из прилегающей к затвору области, и в ней образуется обедненный слой. При достижении определенной степени обеднения продолжающееся увеличение смещения затвора вызывает притяжение к поверхности кремния подвижных положительно заряженных дырок. Когда в области канала накопится достаточное количество дырок, тип проводимости поверхности кремния изменится с электронного на дырочный, другими словами, произойдет инверсия типа проводимости. При этом две диффузионные области р-типа окажутся соединенными друг с другом посредством инверсионного слоя с проводимостью /?-типа, служащего каналом. Отсюда и название прибора - полевой транзистор с каналом р-типа. Подавая на затвор сигнал, можно модулировать количество носителей в области канала, так что затвор по существу регулирует ток, протекающий в канале. При малой величине напряжения на стоке инверсионный слой простирается на всю область канала, соединяя области истока и стока. При таких условиях ток стока зависит от напряжений на стоке и на затворе. Заметим, что на рис. 1.1 все р-области (и диффузионные и инверсионная) изолированы от материала подложки обедненным слоем.

При постоянном напряжении на затворе повышение напряжения на стоке изменяет условия в области канала. Ток стока вызывает омическое падение напряжения вдоль канала ( ?). Полярность этого падения напряжения такова, что оно стремится противодействовать полю, создаваемом} в слое окисла смещением затвора. Когда падение напряжения достигает такой величины, при которой поле уменьшается настолько, что инверсионный слой больше не возникает, канал перехо-

дит в состояние перекрытия), и ток стока стремится к постоянной величине, не зависящей от напряжения на стоке. Говорят, что прибор при этом находится в состоянии насыщения). Как видно из рис, 1.1,6, инверсионный слой имеет наибольшую толщину у истока и стремится к нулевой толщине в точке перекрытия з). Падение напряжения на слое окисла между затвором и точкой канала, в которой происходит перекрытие, называют напряжением перекрытия, или пороговым напряжением. Пороговое напряжение можно определить как напряжение на слое окисла под затвором, необходимое и достаточное для начала формирования в канале инверсионного слоя.

При дальнейшем повышении напряжения на стоке МОП-транзистор переходит в состояние все более глубокого насыщения. Это иллюстрирует рис. 1.1, в, на котором отражено увеличение обедненных областей, прилегающих к стоку, и уменьшение длины канала. Слишком большое увеличение напряжения на стоке может вызвать распространение обедненной области от стока на всю длину канала до истока {сквозное обеднение), что приведет к возникновению неконтролируемого тока, величина которого будет ограничиваться только внешними элементами цепи.

1.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ

Семейства вольтамперных характеристик тока стока для ряда напряжений на затворе приведены на рис. 1.3. Важнейшие особенности этих семейств таковы:

) В ламповой электронике этому состоянию соответствует режим отсечки. Термином отсечка мы будем пользоваться в дальнейшем при описании поведения прибора в схемах, а термин перекрытие сохраним для анализа физических явлений в приборе. - Яр ж. ред.

2) В отечественной литературе это состояние определяется как работа МОП-транзистора в пологой области характеристики. - Прим. ред.

3) В действительности толщина канала ни в одной точке не может стать равной нулю, гак как если бы это произошло, го в канале не было бы тока, на самом же деле через прибор, нахоцчщийся в состоянии насыщения, протекает ток. Допущение о том, что толщина канала может равняться нулю, это удобное приближение, позволяющее определить напряжение перекрыгия или пороговое напряжение.

1. В качестве параметра, определяющего отдельную характеристику семейства, выбрано напряжение в отличие от семейств характеристик биполярных транзисторов, где таким параметром служит ток. Такой выбор связан с высоким входным сопротивлением МОП-приборов.

2. Входное напряжение и выходные напряжение и ток имеют один и тот же знак, что позволяет без труда

}0--46

и с,а. S 5

Рис. 1.3. Характеристики МОП-транзистора с каналом р-типа. а - прибор с индуцированным каналом. Три точки на кривой 63= - 10 0 соответствуют трем напряжением на стоке, которым отвечают структуры, изображенные на рис. 1.1; б -прибор со встроенным каналом.

осуществлять последовательное включение каскадов в цифровых cxePviax. Полевой транзистор с управляющим р - я-переходом является прибором, для которого указанное условие не соблюдается.

3. На рис. 1.3, а видно, что для обеспечения сколько-нибудь заметного тока через прибор необходимо подать на затвор напряжение -4 в. На этом рисунке изображены характеристики транзистора с индуцированным каналом. На рис. 1.3,6 приведено семейство характеристик МОП-транзистора со встроенным каналом; здесь

Рис. 1.4. Передаточные характеристики, показываю-цие зависимость /с от U. Напряжение на стоке поддерживается постоянным, как показано на рис. 1.3, б.

Рис. 1.5. Передаточная характеристика, иллюстрирующая квадратичную форму характеристики МОП-прибора. Кружками отмечены результаты измерений, произведенных на реальном приборе^

Глава 1

При нулевом напряжении на затворе протекает начальный ток -85 мка ).

4. Величина, на которую изменяется выходной ток при данном приращении напряжения на затворе, возрастает по мере роста напряжения на затворе (при напряжениях выше порогового). Можно показать, что выходной ток пропорционален квадрату входного напряжения. На практике полевой МОП-транзистор называют часто прибором с квадратичной характеристикой.

Если на семействе выходных характеристик провести линию постоянного напряжения стока, как это показано на рис. 1.3,6, и начертить зависимость между выходным током и входным напряжением, то получится кривая, которая носит название передаточной характеристики. Передаточные характеристики, изображенные на рис. 1.4, хорошо иллюстрируют работу полевого транзистора с индуцированным и встроенным каналами, величину порогового напряжения и квадратичный характер зависимости между входным напряжением и выходным током прибора Реальная зависимость тока стока от напряжения на затворе представлена на рис. 1.5. Чтобы показать параболический характер кривой (в пологой обла-сти) , данные рис. 1.5 представлены также в форме Ylc (f/з). Эта зависимость представляет собой прямую линию. Если продолжить эту прямую до пересечения с осью абсцисс (/с = 0), то можно определить величину порогового напряжения или напряжения перекрытия

1) В американской литературе МОП-приборы с индуцированным каналом носят название транзисторов с обогащением, а МОП-приборы с встроенным каналом - транзисторов с обеднением - Прим. ред.

2) Предлагалось использовать термин перекрытие только в применении к приборам со встроенным каналом, а термин пороговое напряжение только для приборов с индуцированным каналом. Термин напряжение перекрытия вызывает в памяти полевой транзистор с управляющим р - /г-переходом, и как таковой этот термин уже имеет некоторое преимущественное право на употребление. В обиходной речи специалистов напряжением перекрытия (отсечки) называется в случае прибора со встроенным каналом гакое напряжение на затворе, которое необходимо для того чтобы уменьшить ток стока от его начального значения /с. нас примерно /lo нуля. На рис 1,3,6 видно, что это напряжение равно около -fS в.

Со времени разработки приборов с инд\цированным каналом р-типа в терминологии полевых транзисторов стал преобладать тер-

Основы теории полевых МОП-транзисторов

Т. е. напряжения включения прибора которое всегда важно знать разработчику схемы

Рис. 1.6. кривые, отражающие влияние напряжения на затворе на напряжение пробоя. Стрелками показаны направления увеличения по абсолютной величине отрицательного напряжения на затворе.

При достаточном увеличении напряжения на стоке можно наблюдать характеристики пробоя, аналогичные приведенным на рис. 1.6). Заметим, что напряжение

мин пороговое напряжение ; считается, что это приблизительно такое напряжение на затворе, которое необходимо для того, чтобы прибор перешел в открытое состояние, т. е. начал проводить ток.

Здесь возникает трудность, связанная с тем, что начальная точка передаточной характеристики получает различные обозначения в зависимости от того, лежит ли она справа или слева от линии Ua = О (рис. 1.4).

Поскольку работа прибора как с индуцированным, так и со встроенным каналом описывается одними и теми же уравнениями (единственное их отличие связано со знаком напряжения включения), и поскольку оба типа приборов работают по существу одинаковым образом, будет использоваться одно обозначение С/яор. Так как большинство МОП-транзисторов является приборами с индуцированным каналом, в данной книге будет применяться термин пороговое напряжение . Однако в тех случаях, когда использование термина перекрытие позволяет пояснить существо дела, будет применяться этот термин

) Предполагается, что при снятии характеристик пробоя сквозное обеднение канала не наступает.