книги из ГПНТБ / Агаханян Т.М. Основы транзисторной электроники
.pdfобратно смещенных р-п переходов, которые образуются между затвором п каналом п между подложкой и каналом.
Для МДП-трапзпсторов емкости |
между затвором |
и истоком |
С3 „ и между затвором п стоком |
Са с определяются |
емкостью |
распределенной структуры: металлический затвор — диэлектрик— канал, конструктивными емкостями между выводом затвора и выводами истока и стока, а также эффектом модуляции объемного заряда в канале транзистора. Емкость сток—исток Сс и , обуслов ленная модуляцией заряда в канале при изменении напряжения сток—исток ис „, значительно меньше емкости затвора относи
тельно истока ц стока. Емкости СП |
п и С0 .п |
представляют собой |
|||||||||||
соответственно зарядные емкости р-п переходов истока и под |
|||||||||||||
ложки и стока и подложки (в них включается и емкость |
обратно- |
||||||||||||
смещенного |
р-п перехода, |
образованного |
между |
каналом |
и |
||||||||
|
|
|
полупроводниковой |
|
подложкой). |
||||||||
зо |
|
|
Иногда |
приходится |
учитывать влия |
||||||||
|
|
ние и емкости между затвором и |
|||||||||||
|
|
|
подложкой |
|
С3 п - |
В |
эквивалентной |
||||||
|
|
|
схеме пе учитываются сопротивления |
||||||||||
|
|
|
утечки |
между |
электродами |
транзи |
|||||||
|
|
|
стора, поскольку они весьма велики |
||||||||||
|
|
|
(10е—10° ом). |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Он |
|
Эквивалентная |
схема, |
приведен |
||||||||
Рис. 6-21. Экппвалептная схе |
ная па рис. 6-20, пригодна |
для за |
|||||||||||
ма полевого |
транзистора при |
мещения |
полевого |
|
транзистора, |
||||||||
подключении |
подложки |
к за |
с управляющим р-п переходом в диа |
||||||||||
твору или истоку. |
|
пазоне частот до 30—50 мгц, |
на ко |
||||||||||
|
|
|
торых |
можно |
пренебречь |
распреде |
|||||||
ленным характером |
структуры транзистора, |
а для МДП-трапзп- |
|||||||||||
стора в более широком диапазоне частот |
(до 50—100 мгц). |
|
|||||||||||
Когда транзистор используется в дискретном |
трехэлектродном |
||||||||||||
исполнении, у полевого транзистора с управляющим |
р-п перехо |
||||||||||||
дом затвор |
соединяют с |
подложкой |
(увеличивается |
крутизна |
|||||||||
характеристики), а |
у МДП-транзистора |
подложку |
соединяют |
с |
истоком. Эквивалентная схема таких транзисторов приведена на рис. 6-21.
В общем случае элементы рассмотренных эквивалентных схем являются нелинейными. Когда же транзистор работает в линей ном режиме, т. е. когда переменные составляющие напряжений и токов существенно меньше постоянных составляющих, можно использовать дифференциальные значения параметров транзи стора.
Эквивалентная, схема для большого сигнала
В том случае, когда транзистор работает при большом сиг нале, т. е. используется в нелинейном режиме, можно восполь зоваться эквивалентными схемами, приведенными на рис. 6-20 и
240
6-21. Однако необходимо учитывать зависимость параметров тран зистора от потенциалов на электродах, т. е. от режима. Обычно учитывают лишь нелинейную зависимость статических парамет ров. Величины емкостей несущественно зависят от потенцалов на электродах, и этой зависимостью можно пренебречь. Это оправды вается и тем, что основной вклад в межэлектродные емкости вно сят паразитные емкости корпуса транзистора и емкости между выводами (емкости транзистора равны нескольким десятым долям ппкофарады или единицам пикофарад, а паразитные емкости монтажа — не менее 1—2 пф). Поэтому при расчетах целесооб разно пользоваться значениями емкостей, которые определены экспериментально.
Нелинейную зависимость тока стока / с от напряжений на электродах можно учитывать, заменив генераторы токов в экви валентных схемах идеальным источником тока 1С и выразив ве личину последнего аналитическими соотношениями (6-18) и (6-19). Изменение же тока стока в пологой области можно учитывать, сохранив в схеме ri при работе транзистора в пологой области.
Можно составить эквивалентную схему для большого сигнала [Л, 79], учитывающую симметрию полевого транзистора относи тельно истока и стока. Эти электроды взаимообратимы и определя ются лишь направлением тока в канале.
Эквивалентная схема для расчета сдвига рабочей точки
Для определения отклонения тока стока 7С от номинальной величины вследствие температурной нестабильности и разброса параметров применяется эквивалентная схема, приведенная на
рис. |
6-22. |
В этой |
схеме |
отклоне |
|
|
|
|
||||
ния |
крутизны |
Д5 |
и |
напряжения |
|
|
|
|
||||
отсечки А£/0 (а для |
транзисторов |
|
|
|
|
|||||||
с индуцированным |
|
каналом |
от |
|
|
|
|
|||||
клонение |
порогового |
напряже |
|
|
|
|
||||||
ния Л£/Пор) определяются |
по их |
|
|
|
|
|||||||
средним |
величинам |
в |
заданном |
|
|
|
|
|||||
диапазоне |
температуры. |
Измене |
|
|
|
|
||||||
ние потенциала |
затвора |
A Usa |
вы |
Рпс. |
6-22. |
Эквивалентная |
схема |
|||||
числяется |
по параметрам |
входной |
||||||||||
цепи |
транзистора. При |
расчетах, |
полевого транзистора для расчета |
|||||||||
отклонения тока стока от |
номи |
|||||||||||
производимых по схеме рис. 6-22, |
нальной величины. |
|
||||||||||
как и в случае |
биполярных |
тран- |
|
4 |
|
|
||||||
зисторов, |
значения параметров необходимо брать для одной |
гра |
||||||||||
ницы |
диапазона |
возможных |
|
отклонений, |
а |
значение тока |
/ с — |
|||||
для |
другой. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для полевых транзисторов применяются П-образные эквива лентные схемы, которые удобны для замещения приборов, управ ляемых напряжением.
241
6-8. ДОБРОТНОСТЬ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА
Как уже отмечалось (см. § 5-10), усилительные и импульсные свойства транзистора характеризуются добротностью, опре деляемой отношением коэффициента усиления ко времени нара стания фронта выходного импульса. Добротность полевого тран зистора может быть представлена в виде
Дп.тр = 2,2Са |
к' |
(6-35) |
где S — крутизна характеристики; |
С3 к — суммарная |
емкость |
затвора (относительно канала), которая складывается из емкостей затвор—исток и сток—затвор.
Для того чтобы выяснить, какие имеются возможности повы шения добротности, выразим Дп т р через электрофизические параметры полупроводникового кристалла. Эту задачу сравни тельно просто можно решить следующим образом. Емкость С3 н
определяется изменением |
заряда |
на затворе |
AQ3 |
под действием |
|||||
приращения |
потенциала |
затвора |
относительно |
канала |
AU3 „ . |
||||
В первом приближении можно считать Д С/3 |
к « |
Д £/а „. Тогда сум |
|||||||
марная |
емкость затвора |
равна: |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
С \ к ~ щ Ь . |
|
|
|
(6-36) |
|
{AU3 п |
— приращение |
потенциала |
затвора |
относительно |
истока). |
||||
Учитывая, |
что S = |
AIC/AU3 „, |
получаем: |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
^ Р ^ ^ Щ ? ? |
|
|
|
( 6 ~ 3 7 ) |
В МДП-транзисторах изменение заряда на металлическом затворе равно изменению заряда основных носителей в канале, т. е. AQ3 та А00С. Приращение заряда в канале AQ
|
|
|
ос приводит |
к изменению тока стока на |
величину |
||
д / с = д с 2 о с _ |
6 3 |
||
где |
|
т ос |
|
|
|
|
|
•^кая.эфф |
|
^кан. эфф |
|
Т - о с = |
~ |
— |
~; |
vМ-ос^каи
—среднее время пролета основных носителей через канал, равное отношению эффективной длины канала к средней скорости носи телей заряда v = |ло с Екан. Поскольку падение напряжения на
эффективной длине канала равно напряжению перекрытия Uc |
пер, |
то напряженность поля определяется отношением Екаи |
= |
243
=^о.пер/^кан.эфф- Подставив в формулу(6-37) приращение заряда,
равное
Д<?3 к* ДС?ос = т о с Д /о ~ |
- ^ % ^ * |
Д/ 0 , |
|
получим: |
|
Р-ос'-'с. пер |
|
|
|
(6-39а) |
|
Дц т р |
^° |
t/с.пер |
|
1 |
кап. гфф |
|
|
ИЛИ |
|
|
^ |
Д п . т |
Р ^ 2 |
^ . |
(6-396) |
В транзисторе с управляющим р-« переходом приращение заряда Д@з равно приращению заряда в обедненном слое. По следнее в свою очередь равно изменению заряда подвижных носи телей в той части канала, которая либо обедняется основными носителями заряда (если переход расширяется), либо обогаща ется (если переход сужается). Следовательно, и добротность тран зистора с управляющим р-п переходом определяется соотноше ниями (6-39).
Таким |
образом, |
добротность полевого транзистора |
обратно |
пропорциональна среднему времени пролета основных |
носите |
||
лей через |
канал т о с . |
За это время по мере перемещения основ |
ных носителей заряда от истока к стоку происходит перезаряд емкости затвора С3 к.
Из выражения (6-39а) следует, что добротность полевого транзистора возрастает с повышением потенциала на затворе U3. и (при больших U3 .и увеличивается абсолютная величина напряжения перекрытия Uc. пер и умень
шается эффективная длина канала L K a H . эфф)- Это следует иметь в виду при разработке электронных схем.
Добротность транзистора можно повысить конструктивным путем, умень
шая напряжение отсечки U0 |
пли |
пороговое |
напряжение |
Unop я сокращая |
длину канала. |
|
|
|
|
Уменьшение напряжений |
U0 |
ИЛИ t/ n o p , |
так же как |
увеличение потен |
циала U3, и, влияет на добротность транзистора по двум причинам: при задан
ных потенциалах затвора и стока оно приводит, во-первых, к увеличению напряжения перекрытия и, во-вторых, к уменьшению эффективной длины канала. В транзисторах с управляющим р-п переходом напряжение отсечки
можно уменьшить сужением канала и снижением концентрации прпмесей в канале JVK a „ или их крутизны нарастания а = Д Л г к а н / А WKaH [см. выражения
(6-5) и (6-6)].
Величиной порогового напряжения транзистора с индуцированным ка налом Un0p [см. (6-11)] и напряжения отсечки транзистора со встроенным
каналом можно управлять изменением параметров подложки ( е п и JVn ) и диэлектрического слоя ( е д и WR), а также изменением равновесного значения
потенциала поверхности я|з80, которое определяется концентрацией поверх ностных уровней.
Величины иПор и U0 можно уменьшить технологическим путем,применив в качестве диэлектрика не двуокись, а нитрид кремния SiaN4 (диэлектрическая
проницаемость S i 3 N 4 вдвое больше, чем у SiOa ). Уменьшение порогового на пряжения достигается также правильным выбором кристаллографической ориентации полупроводниковой подложки, при которой заряд поверхностных состояний (и соответственно i|)so ) получается меньшей величины. Абсолютные величины Unop и U0 уменьшаются при использовании в качестве материала
затвора сильно легированного кремния вместо металла [JI. 80] (из-за уменыпе-
243
ппя контактной разностн потенциалов между затвором п подложкой). Следует отметпть, что МДП-транзпсторы, капал которых получается понпым легиро ванием, обладают меньшим значением напряжения отсечки [Л. 39].
Добротность полевого транзистора повышается с уменьшением длины ка нала Z/цан, так как прп этом сокращается и его эффективная длина Ькяп, Эфф.
Длину канала чрезмерно уменьшить нельзя, так как это осложняет техноло гию изготовления приборов: повышаются требования к точности пзготовлеппя и совмещения фотошаблонов, снижается процепт годных приборов и т. д. В настоящее время выпускаются быстродействующие трапзпеторы с длиной канала 5 мн.ч. Прп такой длине капала добротность транзистора достигает 1—3 Ггц. В сверхвысокочастотных МДП-транзнсторах, изготовляемых двой ной диффузией, удается создавать канал длиной 0,4—2 мк.ч, и их добротность превышает 10 Ггц [Л. 81]. Однако в реальных электронных схемах доброт
ность транзистора значительно снижается из-за н а л т п я паразитной обратной связп, возникающей через емкость сток—затвор С3 , с и монтажные емкости схемы.
В заключение отметим, что при заданной добротности транзистора Д1и т р крутизну характеристики S можно увеличить расширением канала в попереч
ном направлении. Прп этом одновременно возрастает и суммарная емкость затвора С3. к (увеличивается, площадь затвора, который является обкладкой
этой емкостп). Емкость С3 . „ возрастает во столько же раз, во сколько увели чивается крутизна S, а добротность Д т р но меняется.
6-9. ШУМЫ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Проводящий канал полевых транзисторов является управляемым сопро тивлением. Как и у всякого сопротивления, минимальный шум определяется тепловым шумом, вызванным хаотическим движением подвпжпых носителей заряда. Тепловой шум канала равномерно распределен по частоте (белый шум). Он пропорционален общему заряду носителей в канале. Поскольку крутизна вольт-амперной характеристики определяется этим же зарядом, то величину шумового тока удобно определять по формуле [Л. 82]
' ш - к а н ^ Ф А и ^ / . |
(6-40) |
где кш — коэффициент, зависящий от режима транзистора по постоянному току.
В малошумящпх усилителях, построенных на транзисторах с управляю щим р-п переходом, обычно выбирают режим работы U3. н = 0, | Uc. п | > > | Uо |i в котором транзистор обладает максимальной крутизной пнаимень
шими тепловыми шумами. Для такого режима /сш = 2 / 3 и шумовой ток канала определяется соотношением
= -д <рт е£Д/.
Для МДП-транзпсторов коэффициент кш определяется не только режи мом смещения, но п технологическими параметрами — толщиной диэлект рика, концентрацией прпмесп в подложке [Л. 83, 84] — и лежит в пределах от 2 / 3 до 10.
Вторая составляющая шумов полевых транзисторов, называемых дро бовыми шумами затвора, становится заметной при больших сопротивлениях в цепи затвора. Эти шумы обусловливаются двумя составляющими тока:
244
во-перпых, ток — 1 3 1 , который образуется потоком электронов, покидающих затвор, п потоком дырок, его достигающих; и, во-вторых, ток — / 3 2 , который образуется потоком электронов, достигающих затвора, и потоком дырок, по кидающих его. Дробовая составляющая шумового тока определяется форму лой
7 и ^ = 2 е ( / з 1 + / з 2 ) Д / - |
Гв-41) |
Источники тепловых и дробовых шумов различны, поэтому тепловой и дробовой шумовые токи некоррелированы, т. е.
'ш.з^ш.кан—0.
Особенностью полевых транзисторов является емкостная связь между каналом н затвором. Эта связь приводит к тому, что шумы в цепи затвора возрастают с повышением частоты [Л. 85]. Флуктуации заряда в канале, опре деляемые тепловым шумом, влияют на ширину обедненного слоя р-п перехода,
Рис. |
6-23. Эквивалентная шумовая |
Рпс. 6-24. Зависимость ко- |
схема |
полевого транзистора. |
эффициента шума полевого |
|
|
транзистора от частоты. |
что в свою очередь вызывает флуктуацию заряда в прилегающей области эатвора. Это вызывает дополнительный шумовой ток в цепи затвора, величина которого определяется емкостной связью канала с затвором и возрастает с повышением частоты. На высоких частотах дополнительная составляющая шумового тока затвора может превышать дробовой шум. Таким образом, шу мовой ток затвора будет частично коррелирован с шумовым током канала. Строго говоря, транзистор следует рассматривать как активную линию с рас пределенными параметрами и на основании этого рассчитывать коэффициент корреляции между токами. Поскольку емкостные токи в затворе малы по сравнению с токами проводимости канала, то вклад теплового шума в дробо вой шум затвора можно определить как действие сигнала, передаваемого пз канала в затвор через эквивалентную сосредоточенную емкость С3, с . Эта воз
можность подтверждается и экспериментами [Л. 86].
На рпс. 6-23 приведена эквивалентная шумовая схема полевого транзи стора. В этой схеме тепловой шум характеризуется генератором тока гш , к а п , дробовой шум — генератором гш . 3 . Токп генераторов определяются соот ветственно соотношениями (6-40) и (6-41). В эквивалентной схеме не учиты ваются тепловые шумы на объемных сопротивлениях областей истока г„ и стока г с (эти шумы сравнительно малы). При необходимости их можно учесть, включив последовательно с выводами истока и стока эквивалентной
схемы рис. 6-23 сопротивления ?•„ и гс, а также |
генераторы э. д. с , характе |
ризующие тепловой шум этих сопротивлений |
по формуле Найквпста (см. |
§ 5-9). |
|
245
В эквивалентной схеме, приведенной па рис. 6-23, указаны источники шумов, спектральная плотность которых не зависит от частоты. Результаты расчета хорошо согласуются с экспериментами.
На НИЗКИХ частотах в половых транзисторах, так же как и в биполярных, преобладают избыточные шумы, величину которых сложпо оценить аналити чески. В отличие от белого шума спектральная плотность избыточных шумов зависит от частоты п пропорциональна 1//. Избыточные шумы полевых тран зисторов с управляющим р-п переходом преобладают па частотахменее 1 кгц, а в МДП-транзпсторах — на частотах менее 100 кгц. Поэтому попятие низко
частотный для избыточного шума относительно и определяется лишь отклоне нием от равномерного спектра белого шума. Основной вклад в низкочастот ные шумы вносят флуктуации заряда в рекомбинацноипо-геиерацпониых ло вушках обедненного слоя р-п перехода вследствие хаотической генерации электронов и дырок [Л. 87]. В полевом транзисторе с управляющим р-п
переходом источником таких шумов служит переходный слой между каналом и полупроводниковой подложкой [Л. 88]. На частотах менее 100 гц в МДП-
транзпсторах преобладает другой механизм возникновения избыточного шу ма. Это поверхностный шум [Л. 88, 89] из-за хаотического захвата носителей поверхностными энергетическими уровнями, которые расположены на гра нице диэлектрика п полупроводника. В низкочастотные шумы определенный вклад вносят также диффузия и дрейф дефектов кристаллической решетки полупроводникового капала п дрейф ионов в слое диэлектрика МДП-тран- зпсторов. Сложная природа избыточных, шумов затрудняет их аналитический расчет. На практике их величина определяется экспериментально.
Зависимость коэффициента шума полевого транзистора от частоты ана логична этой же зависимости у биполярного транзистора (рис. 6-24). В обла сти низших частот коэффициент шума возрастает из-за увеличения избыточ ного шума. В диапазоне частот от / х до / 2 спектральная плотность шума по стоянна. На высших частотах коэффициент шума растет из-за увеличения шума затвора, обусловленного емкостной связью между каналом и затвором.
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ1
TN |
и аТ1—коэффициенты пере |
|||
|
носа |
неосновных носите |
||
|
лей |
нормального |
и |
ин |
|
версного потоков ... |
§ |
2 - 6 ; |
|
|
4 -2; 5-2 |
|
|
|
|
Хд, — коэффициент передачи то |
|||
|
ка эмиттера ... § 4 - 2 ; |
4 - 3 ; |
5-2; 5-3
<Xj — коэффициент передачи то |
||||||||||||
|
|
ка |
коллектора ... |
§ |
4 - 3 ; |
|||||||
|
|
5 - 2 ; 5-3 |
|
|
|
|
коэф |
|||||
а—дифференциальный |
||||||||||||
|
|
фициент |
передачи |
|
тока |
|||||||
Л, |
|
эмиттера ... § 5 - 2; |
5 - 4; |
5-6 |
||||||||
и Pj —коэффициенты пере |
||||||||||||
Р |
|
дачи тока базы в коллек |
||||||||||
|
|
тор и эмиттер ... |
§ 4 - 2 ; |
4 - 3 ; |
||||||||
|
|
5 - 2; 5 - 3 ; |
5-6 |
|
|
коэф |
||||||
|
Р- |
дифференциальный |
||||||||||
|
|
фициент |
передачи |
|
тока |
|||||||
|
|
базы ... |
§ 5 - 2; |
5-4; |
5-6 |
|||||||
|
4 = |
2 |
|
ЛГ |
|
- коэффициент |
||||||
|
Ш |
Б К |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
неоднородности распреде |
||||||||||
|
|
ления |
|
примесей |
в |
базе |
||||||
|
|
дрейфового |
|
транзисто |
||||||||
|
|
ра ... § 4-1 |
коэффициент |
|||||||||
|
|
QO'^TO |
|
|
— |
|||||||
|
|
пропорциональности меж |
||||||||||
|
|
ду зарядами неосновных |
||||||||||
|
|
носителей |
и |
током |
р-п |
|||||||
|
|
перехода ... § |
3 - 8 |
|
|
|
||||||
А |
_ |
Quo. A |
|
|
|
QKO |
|
|
|
|||
У К О • |
А |
/ к Т ( 1 |
+ |
Рд,) |
|
|||||||
^ к |
а _ / Й Р ° |
к |
|
|||||||||
|
|
коэффициенты |
|
пропор |
||||||||
|
|
циональности |
между |
за |
||||||||
|
|
рядом |
неосновных |
носи |
телеи, накопленных в базе у коллекторного - пе рехода, и током при работе с эмиттерным и базовым входами ... § 4 - 4;
|
5-3 |
|
|
|
|
|
ла, |
|
Qao |
. A |
|
|
Qso |
" |
/ аТ |
'> и |
|
= |
/вТ(1 + Р7 ) |
|
|
|
' " а |
э |
|
||
|
коэффициенты пропорци |
|||||
|
|
ональности |
между заря |
|||
|
дом |
неосновных носите |
||||
|
|
лей, накопленных у эмит |
||||
|
терного перехода,и током |
|||||
|
прп работе с эмиттерным |
|||||
|
и базовым |
входами ... |
§ 4 - 4 ; 5 - 3
дырочная п элек тронная составляющие теплового тока ...- § 3 - 2 ;
3 - 5; 5-2
TD' -диффузионная составляю
щая теплового тока ...
/pi |
§ 3 - 2 ; |
3 - 5 |
|
и элек |
||
In—дырочная |
||||||
|
тронная |
§ |
составляющие |
|||
I g , |
тока |
... |
3 - 2; 3 - 5 |
|
||
/go—ток |
генерации в пе |
|||||
|
реходном слое (с индексом |
|||||
|
«О» в равновесном состоя |
|||||
|
нии) |
... |
§ |
3 - 3 |
|
в |
А-1 / г о _ т |
о к |
рекомбинации |
||||
|
переходном слое (с индек |
|||||
|
сом |
«О» |
в равновесном |
|||
|
состоянии) ... |
§ 3 - 3; |
3 - 5 ; |
|||
|
5 - 2 |
|
|
|
|
|
Irg—ток рекомбинации-генера ции в переходном слое ...
§ 3 - 3; 3-5
1 Обозначения, отмеченные индексами л и р , если не оговорено, представ ляют собой соответствующие величины для электронов и дырок.
247