6.5. Эквивалентная схема и быстродействие МДП-транзистора

Исходя из общефизических соображений, МДП-транзистор можно изобразить в виде эквивалентной схемы, представленной на рисунке 6.8. Здесь R_вх обусловлено сопротивлением подзатворного диэлектрика, входная емкость С_вх - 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.

Рис. 6.8. 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 ú = u₀sin(ωt).

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

   (6.27)

Одновременно в канал с электрода затвора потечет паразитный ток смещения через геометрическую емкость затвора, равный:

   (6.28)

С ростом частоты выходного сигнала f паразитный ток будет возрастать и может сравниваться с током канала за счет эффекта усиления. Определим граничную частоту работы МДП-транзистора f = f_макс, когда эти токи будут равны. Получаем с учетом (6.22):

   (6.29)

Поскольку напряжение исток-сток V_DS порядка напряжения V_GS - V_T, то, используя определение дрейфовой скорости

   (6.30)

можно видеть, что предельная частота усиления f_макс определяется временем пролета τ электронов через канал транзистора:

   (6.31)

Оценим быстродействие транзистора.

Пусть μ_n = 500 см²/В·с, длина канала L = 10 мкм = 10^-3 см, напряжение питания V_пит = 10 В. Подставляя эти значения в (6.29), получаем, что максимальная частота для МДП-транзистора составляет величину порядка f_макс ≈ 1 ГГц. Заметим, что собственное быстродействие транзистора обратно пропорционально квадрату длины инверсионного канала. Поэтому для повышения быстродействия необходимо переходить на субмикронные длины канала.