2014_4434

Ширина ОПЗ затвора G при небольших напряжения на стоке UD зависит только от напряжения на затворе UG и определяется как в обычном резком p–n-переходе:

Если толщина а достаточно мала или канал слабо легирован, то ОПЗ, обусловленное только контактной разностью потенциалов 0 ,

может полностью перекрыть канал. Такие ПТУП называются нормально закрытыми и широко используются в маломощных высокочастотных схемах. Приложив к затвору прямое положительное напряжение, в этом случае можно сформировать канал и увеличить его толщи-

ну. Однако при прямом смещенииUG , большем 0,3…0,4 В, резко воз-

растает ток затвора и использование ПТУП в таком режиме становится нецелесообразным.

Как правило, полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом работают в режиме обеднения канала, т. е. при отрицательном относи-

тельно истока напряжении UG для n-канала. При напряжении UG0 ,

называемым напряжением отсечки, канал полностью перекрывается ОПЗ затвора [1, 3–6, 11–14]:

При этом на сток транзистора подается положительное напряжение UD . В этом случае суммарное действие напряжений на затворе и

стоке приводит к большему расширению ОПЗ затвора в области стока и сужению там канала, причем его электрическая толщина теперь ста-

новится зависимой от распределения потенциала вдоль канала (х) , который монотонно увеличивается от истока к стоку и в основном ре-

qNд

что Nд NаG .

31

При этом электрическая толщина канала будет уменьшаться согласно формуле

W a G a 1 G a .

3.2.3. Простейшая теория ВАХ ПТУП (теория Шокли)

Сопротивление dR бесконечно малого участка канала длиной dx , шириной b и толщиной W будет равно

dR bWdx ,

где – объемное удельное сопротивление материала однородно легированного канала 1 qNд n .

Разность потенциалов d на этом участке:

При этом, хотя толщина канала W уменьшается от истока к стоку, ток стока ID остается постоянным по всей длине канала. Физически

этот эффект обусловлен возрастанием напряженности продольного поля, действующего вдоль канала, которое увеличивает дрейфовую скорость электронов в направлении от истока к стоку при условии по-

стоянства подвижности n.

После подстановки (3.1) в (3.2) и перегруппировки членов интегрирование вдоль канала позволяет получить уравнение для вольт-ампер- ных характеристик:

32

где R0 – исходное сопротивление канала, задаваемое его конструкцией:

аисходная проводимость канала G0 1/ R0 .

Вокончательном виде из (3.3) получается, что ток стока ID равен

[1, 3–6, 11–14]:

Выражение (3.5) описывает ВАХ транзистора в крутой области выходных характеристик, т. е. при таких напряжениях UD , при которых

электрический канал имеет отличную от нуля толщину на всем протяжении от истока к стоку (при постоянном напряжении на затворе UG ).

Математически легко показать, что функция ID f (UD ;UG const) имеет локальный максимум при UDнас UDS UG UG0 , называемый

напряжением насыщения. Это значит, что формально при UD>UDS в соответствии с (3.5) ток стока должен убывать, что физически неверно.

Реально же в этом случае распределение потенциала (х) в проводя-

щей области канала перестает зависеть от напряжения UD, так как полностью определяется напряжением UDS (рис. 3.2). Поэтому распреде-

ление дрейфовой скорости электронов вдоль канала также определяется напряжением UDS , а не UD . Физически, при UD UDS ОПЗ со

стороны затвора в области стока перекрывает канал. Этот эффект называется отсечкой канала в области стока ПТУП. При дальнейшем

33

увеличении UD реальная длина канала становится несколько меньше топологической длины L. Вследствие этого эффекта, называемого эффектом модуляции длины канала (физически эквивалентному эффекту Эрли в БТ), у стока возникает область, в которой проводящая часть канала отсутствует. Ясно, что при этом ток между истоком и стоком продолжает течь, так как ОПЗ области перекрытия только помогает электронам, достигшим области отсечки канала, попасть из канала в

сток ПТУП. Теперь разница напряжений UD UDS полностью падает

на ОПЗ перекрытия канала, а ток в канале перестает зависеть от UD, т. е. достигает своего насыщения, и транзистор переходит из крутой области выходных ВАХ в пологую.

Рис. 3.2. Распределение потенциала в канале ПТУП после отсечки канала у области стока

Уравнение ВАХ в пологой области совпадает с (3.5) при замене UD на UDS UG UG0 . Тогда ток стока в пологой области IDS мож-

но представить как

34

Причина этого эффекта заключена в явлении модуляции длины канала. Количественно рост тока стока в пологой области можно учесть на основе выражения

3.2.4. Статические дифференциальные параметры ПТУП

влияние напряжения стока на ток стока. Обратная величина к Gi есть внутреннее сопротивление Ri . В крутой области согласно (3.5) при

UD 0 UG :

UG2 0,6 Uотс

UG3 0,9 Uотс

UD , В

б

Рис. 3.3. Передаточные (а) и выходные (б) характеристики полевого транзистора с управляющим p–n-переходом

37

то обстоятельство, что положительному приращению dUD , увеличи-

вающему ток на величину dIG , соответствует приращение dUG ,

уменьшающее на ту же величину ток стока, в результате чего dID остается постоянным. Полный дифференциал тока стока выражается через

введенные дифференциальные параметры как dID SdUG 1Ri dUD . Тогда, еслиdID 0 , то

Так как крутизну S и выходную проводимость Gi легко найти из графических зависимостей путем замены дифференциалов на приращения соответствующих величин, то коэффициент усиления ПТУП можно вычислить из (3.14).

3.2.5. Моделирование ВАХ ПТУП на основе приближения Шихмана–Ходжеса

В широко распространенных в инженерной практике программах схемотехнического моделирования типа PSPICE ток стока ПТУП вычисляется на основании иерархического ряда моделей, простейшей из которых является модель Шихмана–Ходжеса. В отличие от теории Шокли, основывающейся на гипотезе однородно легированного канала, приближение Шихмана–Ходжеса работает при любых профилях распределения легирующей примеси в канале транзистора.

На основании этой модели ток стока в крутой области описывается в виде

3.3. Описание лабораторной установки

Вольт-амперные характеристики ПТУП измеряются с помощью модульного учебного комплекса МУК-ФОЭ1 (см. приложение 1). Для выполнения лабораторной работы требуются: миллиамперметр, два вольтметра, два генератора напряжения для входной и выходной цепи соответственно. Исследуемый кремниевый транзистор КП302ГМ входит в состав универсального стенда СЗ-ЭЛ01 (см. приложение 1) и обозначен на нем как VT3.

Принципиальная схема для измерений статических ВАХ ПТУП, включенного с ОИ, изображена на рис. 3.4. Данная схема обеспечивает измерение передаточных и выходных характеристик транзистора.

Рис. 3.4. Схема измерения ВАХ полевого транзистора

Схема собирается соединительными проводами. В процессе сборки для сложных узлов следует использовать фрагменты общих шин, имеющиеся на стенде СЗ-ЭЛ01. Студент может приступить к выполнению работы только после проверки собранной схемы преподавателем.

39

3.4.Порядок выполнения работы

1.Выписать из справочника предельно-допустимые параметры исследуемого ПТУП VТ3-КП302ГМ, а также его напряжение отсечки.

2.Собрать схему для измерения ВАХ ПТУП в соответствии с рис. 3.4.

3.Зафиксировав на стоке большое напряжениеUD , примерно в 5 В,

определить напряжение отсечкиUG0 , плавно увеличивая напряжение

на затворе до тех пор, пока ток стока не обнулится.

4. После поверки величины UG0 приступить к исследованию передаточных ВАХ транзистора. Для этого снять семейство ID (UG ) при UD = 0,1 В, UD = 1 В и UD = 5 В. Начинать измерения необходимо с

небольшого положительного напряжения на затворе UG 0,1 В. За-

писать экспериментальные данные в соответствующую таблицу, построить графические зависимости и объяснить их особенности.

5. Измерить семейство выходных характеристик ID (UD ) , обращая

особое внимание на начальный участок выходной ВАХ, аналогично п. 4 предыдущей работы, только в данном случае продолжительность

начального участка будет определяться напряжением отсечки UG0 . Напряжение на затворе принять равным UG = 0; 0,2UG0 ; 0,4UG0 ; 0,6UG0 и 0,8UG0 . Записать экспериментальные данные в соответ-

ствующую таблицу, построить графические зависимости и объяснить их особенности, выделив крутой и пологий участки.

6. По измеренным зависимостям найти максимальный ток стока

ID0 и на основании (3.8) рассчитать исходное сопротивление каналаR0 .

7.Для каждой из пяти линий семейства выходных характеристик графически определить величину напряжения насыщения и сравнить полученные результаты с теоретическими величинами на основе фор-

мулы UDнас UDS UG UG0 . На графике передаточных характери-

стик определить области, соответствующие крутому и пологому участкам.

8. По графику передаточной характеристики для режима работы ПТУП, соответствующего пологой области, вычислить зависимость крутизны от напряжения на затворе и сравнить ее с теоретическими зависимостями, рассчитанными на основании формул (3.11) и (3.16). Все три кривые построить на одном графике.

9. По графику выходных характеристик вычислить для всех пяти линий семейства в пологой области при UD = 5 В зависимость сопро-

40