1.3.4. Механизмы пробоя пт

Механизмы пробоя ПТ с p-n-переходом объясняется возникновением лавинного процесса в переходе затвор-канал. Обратное напряжение диода затвор-канал изменяется вдоль длины затвора, достигая максимального значения у стокового конца канала. Именно здесь происходит пробой полевого транзистора. Поскольку для уменьшения тока стока необходимо увеличить обратное напряжение в цепи исток-затвор, то при фиксированном напряжении питания сток-исток, кажущееся напряжение пробоя в области стока должно монотонно уменьшаться вместе с уменьшением тока, что и наблюдается на практике (рисунок 1.3, б).

Аналогично с описанным выше, происходит пробой и в МДП-транзисторе при больших напряжениях на стоке. Для получения максимальной дрейфовой скорости, минимального времени пролета носителей и, следовательно, максимального произведения коэффициента усиления на полосу пропускания, желательно иметь, возможно большее дрейфовое поле в канале. Однако с ростом поля в канале возникает генерация электронно-дырочных пар вследствие ударной ионизации «горячих» носителей, что приводит к лавинному пробою. Наиболее интенсивное образование таких пар происходит в области максимального поля, т.е. вблизи стока.

Рассмотрим процесс пробоя МДП-транзистора с n-каналом. Электроны, возникающие вблизи стока, быстро уносятся дрейфовым полем канала к стоку; однако дырки под воздействием этого поля двигаются к электроду истока, а под действием поля затвора и поля стока – к подложке. Полная скорость генерации носителей в канале пропорциональна величине дрейфового поля канала. Зависимость скорости генерации от поля в канале ведет к уменьшению сопротивления насыщения стока. Это сопротивление также уменьшается с повышением напряжения на затворе вследствие увеличения тока канала. Описанный эффект называется «мягким» пробоем канала. Он наиболее заметен при максимальном напряжении затвора и практически отсутствует при запирании канала. При дальнейшем увеличении напряжения на стоке происходит крутой подъем тока стока, обусловленный прямым пробоем стока на подложку.

В полевых транзисторах наблюдается также и другой вид пробоя стока, известный как пробой «смыкания» стока с истоком. Обедненная область стока при расширении вдоль канала может достичь истока, что приводит к появлению тока, ограниченного объемным зарядом. Такое явление аналогично «смыканию» коллектора с эмиттером в биполярном транзисторе.

Описанные выше механизмы пробоя не выводят из строя полевой транзистор, если мощность, рассеиваемая на нем, не превосходит допустимой величины. Однако пробой не всегда безвреден. Степень влияния пробоя на параметры транзистора определяется величиной и продолжительностью тока, текущего через затвор (подложку). В результате пробоя могут увеличиться ток утечки затвора (подложки) и возрасти уровень шума.

Помимо указанных выше механизмов пробоя, МДП-транзисторы подвержены необратимому пробою диэлектрика, отделяющего затвор от канала. Толщина диэлектрика МДП-структуры крайне мала (порядка 1000 А). Если, например, к затвору относительно подложки приложен потенциал, равный 50 В, то в изолирующем слое создается электрическое поле, напряженностью 5∙10⁶В/см. Эта величина близка к напряжению пробоя для большинства изоляторов. К примеру, пробой слоя двуокиси кремния наступает при напряженности поля порядка 10⁷ В/см. Любое переменное, импульсное или статическое напряжение, достигающее величины около 100 В и более, создает опасность пробоя изолирующей области и выхода прибора из строя.