Дифференциальные параметры бт.

Биполярный транзистор удобно представить активным нелинейным четырехполюсником, изображенным на рис. у которого выходной ток I₂ и входное напряжение U₁ зависят от входного тока I₁и выходного напряжения U₂, в этом случае четырехполюсник описывается системой уравнений в H-пара­метрах.

Переходя к мгновенным значениям напряжений и токов, уравнения можно представить в виде:

u₁ =f₁(i₁,u₂);

i₂=f₂(i₁,u₂).

При малых изменениях токов и напряжений приращения входного и выходного напряжений и токов можно найти из следующих уравнений:

Δu₁=

Частные производные в уравнениях являются дифферен­циальными H-параметрами транзистора:

Если значения переменных напряжений и токов транзистора существенно меньше значений постоянных напряжений и токов транзистора, то приведенные выше уравнения можно записать в виде:

Здесь I_вх= I₁ и U_вых = U₂ — постоянные составляющие соответст­венно входного тока и выходного напряжения.

Каждый из параметров, приведенных в уравнениях, имеет определенный физический смысл:

входное со противление транзистора при коротком замыкании на выходе (u_вых= 0). коэффициент обратной связи, характеризующий влияние выходного

напряжения на режиме разомкнутой входной цепи транзистора; — усиления по току при u_вых= 0.

Указанные параметры можно определить по статическим характеристикам БТ, используя вместо частных производных соответству­ющие им малые приращения токов и напряжений. Значения H-параметров зависят от схемы включения БТ. В справочниках обычно приводят значения H-параметров для БТ, включенных по схеме с общим эмиттером. Для них приняты обозначения H_11э, H_12э, H_21э, H_22э.

Используя H-параметры, нетрудно представить формальную эквивалентную схему БТ в виде рис. справедливую для лю­бой схемы включения транзистора.

Система H-параметров называется гибридной, так как одни H-параметры определяются в режиме холостого хода на выходе, а другие в режиме короткого замыкания на выходе. При этом параметры имеют разную размерность. Рассмотренные параметры широко используются при расчетах низкочастотных транзисторных схем.

Лекция № 5

Полевые транзисторы с изолированным затвором (МОП-транзисторы)

Полевые транзисторы с изолированным затвором, также называемые полевыми транзисторами со структурой металл-оксид-полупроводник (сокращённо МОП-транзисторы), относятся к полевым транзисторам. В настоящее время, большая часть транзисторов, используемых в цифровых интегральных схемах – это МОП-транзисторы.

Но если речь идёт о дискретных транзисторах, то здесь доминируют биполярные транзисторы. Количество МОП-транзисторов в цифровых ИС может достигать нескольких сотен миллионов.  Размер МОП-транзистора на настоящий момент составляет менее одного микрометра, и по мере развития технологии его размеры становятся всё меньше. Многие более крупные МОП-транзисторы способны переключать токи до 100 ампер при низком напряжении; при низких токах некоторые МОП-транзисторы способны выдерживать напряжение до 1000 В.  Размер подобных МОП-транзисторов может достигать до 1 см².  МОП-транзисторы применяются гораздо чаще полевых транзисторов с управляющим pn-переходом. Однако в настоящее время, когда речь идёт о мощных транзисторах, то чаще применяются биполярные транзисторы.

Также как и у полевых транзисторов, у МОП-транзисторов имеется три электрода: исток, сток и затвор. Однако в отличие от полевого транзистора вывод затвора МОП-транзистора не связан напрямую с кремнием. Затвор МОП-транзистора – металлический или поликремниевый электрод, который нанесён поверх слоя диэлектрика (обычно из двуокиси кремния).   Затвор похож на конденсатор со структурой металл-оксид-полупроводник (МОП), показанный на рисунке ниже. В заряженном состоянии обкладки конденсатора принимают полярность заряда соответствующего вывода аккумулятора. Нижняя обкладка конденсатора  -  кремний p-типа, электроны с которого выталкиваются  отрицательным (-) выводом аккумулятора в сторону оксида, и притягиваются к верхней положительной (+) обкладке. Избыток электронов вблизи оксида создаёт инверсионный канал под слоем оксида. Здесь также создаётся обеднённая область подложки монолитного кремния.

N-канальный МОП-конденсатор: незаряженный,(b) заряженный.

На рисунке ниже (a) МОП-конденсатор помещён между парой областей с диффузией n-типа на подложке p-типа. При отсутствии заряда и смещения на затворе, участки диффузии N-типа, истоковая и стоковая области остаются электрически развязанными.

N-канальный МОП-транзистор (работающий в режиме обогащения): (a) напряжение смещения на затворе 0 В, (b) положительное напряжение смещения на затворе.

Положительное напряжение смещения, приложенное к затвору, заряжает конденсатор (затвор).  Затвор поверх слоя оксида принимает положительный заряд. Подложка P-типа под затвором принимает отрицательный заряд. Под слоем оксида формируется инверсная область с избытком электронов. Теперь эта область соединяет области истока и стока N-типа, формируя постоянную область электронной проводимости от истока к стоку.  Таким образом, МОП-транзистор, как и полевые транзисторы представляет собой униполярный прибор. Проводимость обеспечивается носителями заряда лишь одного типа. Таково устройство N-канального МОП-транзистора. В подобном варианте при приложении напряжения между истоковой и стоковой областями могут протекать достаточно большие токи.

Описанный выше МОП-транзистор работает в режиме обогащения. Непроводящий, отключённый канал включается посредством обогащения канала под затвором с помощью напряжения смещения. Такой вариант МОП-транзистора является наиболее распространённым.

МОП-транзисторы, как и полевые транзисторы являются устройствами, управляемыми напряжением.  Напряжение, подаваемое на затвор, управляет током от истока к стоку. Через затвор не проходит постоянный ток. Хотя для заряда ёмкости управляющего электрода затвору требуется начальный толчок тока.

Поперечное сечение N-канального МОП-транзистора показано на рисунке (а) ниже: Дискретные МОП-транзисторы обычно оптимизированы под управление большими токами. Символ N⁺ указывает на то, что стоковая и истоковая области сильно легированы. Таким образом сокращаются потери на сопротивление при протекании сильного тока от истока к стоку. Символ N^- обозначает слабое легирование. Область дырочной проводимости под затвором, между истоком и стоком может быть инвертирована посредством положительного напряжения смещения. Профиль распределения легирующей смеси может представлять собой змеевидный контур на кремниевом кристалле. Таким образом увеличивается область легирования, а соответственно, и номинальный

ток.

N-

канальный МОП-транзистор (работающий в режиме обогащения): Поперечное сечение, (b) условное обозначение.

На рисунке выше (b) показано условное обозначение МОП-транзистора с «плавающим» затвором, что указывает на отсутствие непосредственной связи с кремниевой подложкой. Прерывистая линия от истока к стоку указывает на то, что транзистор в отключённом не проводящем состоянии, с нулевым напряжением смещения на затворе. МОП-транзистор является прибором, работающим в режиме обогащения. Обогащение канала происходит при подаче на затвор напряжения смещения. Стрелка соответствует материалу с электропроводностью р-типа, и направлена к каналу n-типа. Это символ N-канального МОП-транзистора. В P-канальных МОП-транзисторах стрелка направлена в противоположную сторону (не показано).   У МОП-транзисторов имеется четыре вывода: исток, затвор, сток и подложка. У дискретных МОП-транзисторов исток соединён с подложкой, то есть на его корпусе имеется три вывода. В случае МОП-транзисторов, являющихся частью ИС, подложка является общей для всех транзисторов, за исключением редких случаев намеренной изоляции. При соединении с общей подложкой на кристалле могут быть сделаны дополнительные контактные площадки для соединения с землёй или с цепью подачи напряжения смещения.

N-канальный МОП-транзистор с V-образной канавкой: Поперечное сечение, (b) условное обозначение.

МОП-прибор с V-образной канавкой (англ. VMOS, на рисунке выше) является улучшенной мощной версией МОП-транзистора с профилем распределения легирующей смеси, способствующим созданию более низкого сопротивления при проходе тока от истока к стоку. Своим названием этот прибор обязан V-образной канавке, благодаря которой увеличивается сечение области между истоком и стоком. Это сводит к минимуму потери и позволяет управлять большими токами. Разновидностью такого прибора является МОП-транзистор с U-образной канавкой (англ. UMOS), промышленное производство которого представляет меньшую сложность.