книги из ГПНТБ / Агаханян Т.М. Основы транзисторной электроники

44

С управ­ ляющим р-п пере­

ходом

МДП со встроенным каналом

МДП с индуци­

рованным

каналом

вытеснить основные носители из канала. Возможность управле­ ния потенциалом любой полярности в ряде случаев позволяет заметно упростить схемы.

Транзисторы с управляющим р-п переходом и с индуцирован­ ным каналом управляются потенциалом 1 только одной поляр­ ности. Первый из них работает при отрицательном смещении, если канал тг-типа, и положительном, если канал р-типа. Чтобы индуцировать канал «-типа, необходимо подать положительное смещение на затвор (притягивающее электроны в канал), а для индуцирования канала р-типа — отрицательное смещение. Сле­ довательно, указанные виды транзисторов с каналами одного и того же типа электропроводности требуют смещения разной по­ лярности.

Полярность включения источника питания стока ЕСИ (см. рис. 6-10) определяется направлением движения основных носи­ телей в канале. Независимо от структуры транзистора источник Ес и подключается к стоку положительным полюсом для траизи-

1 Здесь п в последующем изложении потенциалы электродов отсчптываются относительно потенциала истока.

230

сторов с каналом /г-типа и, наоборот, отрицательным полюсом для транзисторов с каналом р-типа. Указанные полярности вклю­ чения обеспечивают движение основных носителей от истока к стоку. -

Таким образом, для приборов с однотипными каналами по­ тенциалы затвора и стока (соответственно входа и выхода схемы) имеют одну и ту же полярность для транзисторов с индуцирован­ ным и со встроенным каналом, работающим в режиме обогащения. Это позволяет сравнительно просто согласовать выходы преды­ дущих элементов со входами последующих в схемах с непосред­ ственными связями [Л. 77] при использовании транзисторов с однотипными каналами.

Одинаковые полярности потенциалов стока и затвора, а также отсутствие тока 1с при нулевом смещении у транзисторов с инду­ цированным каналом позволяют строить высокоэкономичные схемы логических элементов. Эти схемы обычно строят на тран­ зисторах с каналами противоположных типов проводимости. Такие пары транзисторов называются взаимодополняющими (ком­ плементарными).

6-5. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ И ИХ ЗАВИСИМОСТЬ ОТ РЕЖИМА

В отличие от биполярного транзистора, который управляется током, полевой транзистор представляет собой прибор, управ­ ляемый напряжением, и аналогично электровакуумной лампе характеризуется следующими дифференциальными параметрами.

Крутизной характеристики транзистора S , равной отношению приращения тока стока к вызвавшему его приращению напряжения на затворе при неизменных напряжениях остальных электро­ дов:

в.и/и,СИ = const

п.и = const

Коэффициентом усиления транзистора ц т р , определяемым как отношение приращений напряжения стока и напряжения затвора при холостом ходе на стоке:

ип".и = const

Внутренним сопротивлением транзистора г{ ) определяемым как отношение изменения напряжения стока к соответствую­

231

Таким образом, крутизной характеристики и внутренним со­ противлением транзистора определяется максимальное прнращеиие тока стока, вызываемое изменением напряжений соответ­ ственно иа затворе и стоке. Коэффициентом усиления определя­ ется максимальное усиление напряжения затвора, т. е. входного напряжения, которое способен обеспечить транзистор иа выходе (стоке).

%=0 ма/8 ТВ

28

38

-Li 1_ ан

ма/в\

Рис. 6-16. Зависимость крутизны характеристики 5 от режима для транзисторов с управляющим р-п

переходом (а); с индуцированным каналом (б) и со встроенным ка­

налом (в).

Коэффициент усиления, крутизна характеристики и внут­ реннее сопротивление транзистора связаны между собой соотно­ шением

Дифференциальные параметры транзистора можно определить

232

Коэффициент усиления транзистора по напряжению в крутой области вольт-амперной характеристики можно определить из уравнения (6-18). Он равен:

для этого выражением вольт-амперной характеристики (6-18). Тогда коэффициент усиления можно представить в следующем

ристики в пологой области. В действительности коэффициент

ставление транзистора в пологой области идеальным управляе­ мым генератором тока ие совсем правильно.

Дифференциальное внутреннее сопротивление в крутой области определяется соотношением

(6-28)

2ка. т (Uспер — Uй .и)

Из (6-28) следует, что с увеличением напряжения стока Uc а внутреннее сопротивление повышается и на границе с пологой областью при Uc и с. пер становится бесконечно большим (ri—^oo), т. е. транзистор превращается в идеальный источник тока. Это также является результатом отмеченной выше идеали­ зации в пологой области. На самом деле не учитывалась модуля­ ция длины канала при работе в пологой области. У реаль­ ных приборов внутреннее сопротивление в пологой области доста-

233

точно велико, мало влияет на вид вольт-амперных характеристик, описываемых соотношениями (6-18) и (6-19), но все же в пологой области имеет конечную велпчппу.

Уместно выяснить физический смысл внутреннего сопротивления тран­ зистора, характеризующего нарастание тока 1С с увеличением напряжения Uc. а в пологой области. Рост тока обусловлен несколькими причинами, из которых наиболее важной является модуляция длины канала напряжением отока [Л. 9, 74].

Прп напряжениях Uc. и, превышающих напряжение перекрытия Uc. пер, сокращается эффективная длина канала (см. рпс. 6-13, б), так как удлиняется та часть слоя объемного заряда, которая перекрывает канал. Падение напря­ жения на эффективной длине канала £К ан. эфф остается практически постоян­

и соответственно ток стока / с .

Таким образом, величину тока 1С в пологой части характеристики можно определить, учитывая, что ток 1С возрастает по сравнению с током насыщения 1с. пер во столько раз, во сколько увеличивается напряженность поля. Напряженность поля возрастает обратно пропорционально длине ка­ нала. Следовательно, вольт-амперная характеристика полевого транзистора на пологом участке определяется соотношением

На основании этого соотношения можно определить значения r\, S , а также р,Тр в пологой части характеристики. На практике эти величины обычно

Тогда для крутой области вольт-амперной характеристики крутизна по нодложке определяется соотношением ,

234

В полевом транзисторе с управляющим р-п переходом вход­ ным электродом является одна из областей обратно смещенного р-п перехода, вольт-амперная характеристика которого показана па рис. 6-18, а. Сопротивление г в х определяется наклоном вольтамперной характеристики в области обратного смещения и может достигать 10е—109 ом. Обратное смещение на р-п переходе з а т в о р - канал неодинаково вдоль канала и зависит от напряжения на стоке. Это несколько влияет на вид входной вольт-амперной ха­ рактеристики, снятой при различных Ucn. При практических расчетах этим можно пренебречь. При прямом смещении р-п переход отпирается, и входное сопротивление транзистора резко падает (до десятков ом). Однако такой режим не является рабочим. Ток утечки затвора определяется обратным током р-п перехода, который заметно возрастает с повышением температуры.

Входное сопротивление .МДП-транзистора определяется со­ противлением слоя диэлектрика между металлическим затвором и

235

полупроводником. Входная вольт-амперная характеристика при­ ведена на рпс. 6-18, б. Сопротивление г в х может достигать 10°— 101'1 ом. В отличие от транзистора с управляющим р-п переходом МДП-транзистор, имея изолированный диэлектриком затвор, сохраняет высокое входное сопротивление независимо от вели­ чины и полярности напряжения на затворе. Ток утечки затвора

6-6. ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ПАРАМЕТРОВ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Прп изменении температуры полупроводника изменяются поло­ жение уровня Ферми и механизм рассеяния подвижных носите­ лей. Если рассматривать диапазон температур, в котором леги­ рующие примеси полностью ионизированы, а собственная прово­ димость еще не наступила, то изменение температуры приводит к пзмененпям контактной разности потенциалов срд на р-п переходе, обратного тока через переход, а также к изменению подвижности основных носителей заряда. Это и обусловливает изменение пара­ метров полевых транзисторов с изменением температуры [Л. 9].

Для транзистора с управляющим р-п переходом в рабочем диапазоне температур концентрация основных носителей в ка­ нале остается практически постоянной. Поэтому изменение напря­ жения отсечки U0 прп изменениях температуры определяется температурной зависимостью контактной разности потенциалов, т. е.

При изменении температуры на один градус контактная раз­ ность потенциалов изменяется примерно на 2 мв. Повышение тем­ пературы приводит к уменьшению контактной разности потен­ циалов, поэтому для перекрытия канала необходимо приложить к затвору большее внешнее напряжение.

Другим фактором, подверженным влиянию температуры,-яв­ ляется подвижность основных носителей заряда в канале, темпе­ ратурная зависимость которой определяется приближенной фор­ мулой

(6-32)

где |я0 01 — подвижность носителей при температуре Тг. Для гер­ мания коэффициент п^ = 1,5 для электронов и п^ = 2,3 для дырок, для кремния п^ — 2,6 для электронов и = 2,3 для дырок.

Уменьшение подвижности основных носителей заряда с ро­ стом температуры приводит к увеличению сопротивления полу-

236

проводникового материала! При рассмотрении зависимости тока стока полевого транзистора с управляющим р-п переходом от температуры необходимо учитывать два фактора, определяющие изменение электропроводности канала. Повышение температуры

и увеличивается его электропроводность. С другой стороны, повы­ шение температуры приводит к уменьшению подвижности носи­ телей заряда в канале, что вызывает уменьшение его электро­ проводности. Рассмотренные факторы на электропроводность канала, а слодовательпо, и па величину тока стока влияют про­ тивоположно, причем при определенных условиях действие этих факторов может взаимно компенсироваться и при некотором

а)

На рис. 6-19, а приведены стокозатворные характеристики тран­ зистора с.управляющим р-п переходом в пологой области, снятые при различных температурах. Левее точки с нулевым темпера­ турным дрейфом температурный коэффициент тока стока отри­ цателей, т. е. с ростом температуры ток стока уменьшается, правее точки с нулевым дрейфом температурный коэффициент тока стока положителен.

В зависимости от степени влияния фд или \ i o c у разных тран­ зисторов точка с нулевым температурным дрейфом будет нахо­ диться при различных смещениях на затворе С/3.и . При больших на­ пряжениях отсечки U0 небольшие изменения контактной разности потенциалов Д фд не окажут существенного влияния, и прак­ тически при всех режимах смещения Uan температурный коэф­ фициент тока стока будет отрицательным. При достаточно же малых напряжениях отсечки транзистор будет иметь положитель­ ный температурный коэффициент тока стока.

При изменениях температуры изменяется обратный ток р-п перехода затвор—канал, что вызывает изменение тока в цепи затвора / 3 .

На температурной зависимости тока стока МДП-транзисторов изменение подвижности носителей заряда в канала сказывается

237

дом механизм изменения порогового напряжения здесь сложнее. Температурный коэффициент тока стока зависит от диапазона температур и у различных транзисторов может иметь разный знак. У МДП-транзисторов не существует рабочей точки, в которой ток стока не зависел бы от температуры. Это иллюстрируется стокозатворными вольт-амперными характеристиками, снятыми при раз­ личных температурах и приведенными на рис. 6-19, б.

Температурная зависимость порогового напряжения для тран­ зистора с индуцированным каналом определяется изменением уровня Ферми, изменением объемного заряда в обедненной под­ вижными носителями области р-п перехода канал — подложка, а также температурной зависимостью величины заряда в диэлек­ трике, зависящей от технологии производства транзисторов. Этими же факторами определяется температурная зависимость напря­ жения отсечки для транзисторов со встроенным каналом.

6-7. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

Процесс распространения тока в канале полевого транзистора с управляющим р-п переходом и МДП-транзистора следует рас­ сматривать как процесс в нелинейной резистивно-емкостпой ли­ нии с распределенными параметрами [Л. 78]. Однако при работе на тех частотах, где коэффициент усиления по мощности больше единицы, полевой транзистор можно заменить эквивалентной схемой, состоящей из сосредоточенных элементов, параметры которых зависят от режима работы.

Малосигнальные эквивалентные схемы

Эквивалентная схема полевого транзистора приведена на рис. 6-20. Для общности предполагается, что подложка, на которой изготавливается транзистор, имеет отдельный вывод. Генераторы тока Sru3 и и Sn0Jlua и отражают эффект модуляции проводимости канала (и, следовательно, величины тока стока) при изменении потенциалов затвора иа „ и подложки иП и относительно истока. У полевых транзисторов с управляющим р-п переходом подложка образует второй затвор и обычно соединяется с основным затво­ ром. Параметры транзистора: крутизна вольт-амперной харак­ теристики по затвору S T , крутизна по подложке 5П 0 д, дифферен­ циальное внутреннее сопротивление транзистора ri T — изменя­ ются с изменением режима. Зависимость этих параметров от ре­ жима работы рассматривалась в § 6-5.

Сопротивления гн и гс складываются из объемных сопротив­ лений полупроводника на участках менаду концами канала и кон-

238

тактами истока и стока, сопротивлений их контактов и выводов. Сопротивления г„ и г0 имеют величину порядка нескольких ом или десятков ом. Сопротивление гс в реальных схемах является как бы частью сопротивления нагрузки, которое обычно много больше гс. Поэтому влиянием объемного сопротивления стоковой области /-с на работу схемы можно пренебречь. Объемное сопротив­ ление области истока ;•„ создает обратную связь, несколько сни­ жающую эффективную крутизну транзистора. Уменьшение кру­ тизны характеристики можно оценить при помощи формулы (известной в теории электронных усилителей)

ом или десятков ом и оказывают несущественное влияние на ра­ боту транзистора.

Для полевого транзистора с управляющим р-п переходом емкости затвор—сток С3 с , затвор—исток С3 - п , подложка—исток Сц.а и подложка—сток ССП являются зарядными емкостями

239