Эффект смыкания канала

Эффект смыкания канала относится одновременно к 1-й и 3-й группам эффектов короткого канала (см. параграф Ш. 5.1) и состоит в смыкании под затвором ОПЗ стока и истока при повышении напряжения сток—исток до некоторого значения V_ds — V_pjnch. Смыкание ОПЗ происходит за счет расширения ОПЗ под стоком и ее распространения иод затвор в сторону истока (рис. III.5.3, а).

На рис. III.5.3, б приведены энергетические диаграммы поверхности полупроводника для фиксированного напряжения затвор—исток и нескольких значений напряжения сток —исток V_ds (показано только расположение уровней Е_г). Направление возрастания V_ds указано стрелкой. Отметим, что при отсутствии тока (V_d$ = 0) в области канала уровень Е₍ расположен выше, чем в и⁺-областях стока и истока, что обусловлено значительно большей концентрацией электронов в этих областях (в вырожденных п⁺-областях канала уровень Ферми F находится несколько выше Е_с). Таким образом, при V_ds =0 область канала представляет собой потенциальный барьер между стоком и истоком (см. рис.

III.5.3, б). Высота этого барьера AE_V, как и концентрация электронов в канале, является функцией напряжения затвор-исток.

Рис. III.5.3. Эффект смыкания канала:

а — границы ОПЗ при V_ds = V_pinch б — энергетические диаграммы поверхности полупроводника (стрелка указывает направление возрастания V*); в — проявление эффекта смыкания канала на ВАХ МДПТ При повышении напряжения сток—исток энергетический уровень Е₍. в канале снижается по направлению к области стока, имеющей максимальный потенциал. Если длина канала L достаточно велика, это никак не сказывается на высоте барьера ДЕ₅.

Ширина ОПЗ под стоком l_D, которая определяется соотношением (Ш.5.26), увеличивается с ростом напряжения V_ds вследствие расширения р-п перехода подложка—сток. Примерно на такое же расстояние ОПЗ под стоком расширяется в сторону истока под каналом. В случае короткого канала ближайшая к истоку граница этой ОПЗ оказывается в непосредственной близости к границе ОПЗ под истоком. При этом взаимодействие ОПЗ под стоком и под истоком приводит к снижению потенциального барьера AE_S между истоком и каналом. Фактически это эквивалентно повышению напряжения затвор—исток, которое в действительности остается постоянным. В результате повышается концентрация электронов в канале на границе с истоком (автоэмиссия электронов из истока в канал) и, как следствие, ток стока. Такое достаточно резкое повышение тока стока с ростом напряжения V_ds напоминает картину пробоя (рис. III.5.3, в).

Оно происходит при напряжении V_ds = V_pjnch, соответствующем смыканию ОПЗ стока и истока на поверхности полупроводника. Это напряжение определяется условием смыкания (см. рис. III.5.3, а)

Рисунок Ш. 5.3, 6 показывает, что при V_ds =V_pinch высота потенциального барьера ДЕ _v между истоком и каналом значительно снижается (жирная кривая ЕДО, у) на рис. Ш. 5.3,6). С учетом (III.5.26) напряжение смыкания составляет.

Заметим, что при V_ds > V_pinch эмиссия электронов из истока может происходить не только в поверхностную область канала, но и охватывать существенную часть ширины ОПЗ и даже проникать в подложку. Если напряжение V_ds существенно превышает величину V_pjnch, ток, связанный с эмиссией электронов в ОПЗ, ограничивается пространственным зарядом избыточных электронов в ОПЗ (поскольку дрейфовая скорость электронов в сильных полях ограничена, увеличение тока возможно только за счет повышения концентрации электронов). В этих условиях ВЛХ тока инжекции имеет вид [9, § 8.4.3].

где S_s — площадь поперечного сечения ОПЗ на границе с истоком.

В режиме смыкания канала на выходных характеристиках пологая область вырождается в крутую (см. рис. Ш. 5.3, в), что приводит к снижению собственного коэффициента усиления МДГГГ по напряжению К_у (см. параграф Ш. 3.2) и резкому ухудшению качества прибора. По существу эффект смыкания канала может считаться видом пробоя.

Напряжение смыкания чрезвычайно сильно зависит от длины канала, резко снижаясь при ее уменьшении. При условии L < 2/₅ смыкание канала происходит уже при нулевом напряжении сток—исток. Для повышения напряжения смыкания следует увеличивать концентрацию примеси в подложке N_R} в результате чего снижаются значения /₅ и 1_п.