Статические характеристики МДП-транзисторов с изолированным затвором и встроенным каналом.

Управляющая характеристика, при различных напряжениях насыщения стока U_сн приведена на рис. 5.4, а. Видно, что при напряжении на затворе U_з=0 ток стока I_с также равен нулю. При напряжениях на затворе U_зи, превышающих напряжение отсечки U_отс, ток стока I_с начинает возрастать в с ростом напряжения U_зи, причем тем быстрее, чем больше напряжение U_си:

, (5. 6)

где I_{с max} – значение тока стока при U_зи =0, U_отс - напряжение отсечки.

Выходные характеристики представлены на рис. 5.4, б. По форме они не отличаются от аналогичных характеристик, приведенных для МДП транзистора с индуцированным каналом.

Крутой участок I характеризуется линейной зависимостью тока стока вплоть до напряжения насыщения, значение которого определяется из выражения (5.4).

Причина появления на выходной ВАХ пологого участка II, как и в предыдущем случае, связана с сужением проводящего канала у стокового p-n перехода за счет увеличения ширины запирающего слоя в p-области обратно-смещенного n⁺-p перехода стока,.

Участок III является участком пробоя p-n перехода стока, на который подается высокое обратное напряжение U_си.

5.1.2. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом

Это транзисторы, в которых ширина канала изменяется за счет подачи обратного смещения на управляющий затвор, выполненный в виде р-n перехода. Различают транзисторы с каналом p-типа и n-типа.

На рисунке 5.5 показано схематическое изображение полевого транзистора с каналом n-типа. Омические контакты к левой и правой граням полупроводниковой подложки n-типа проводимости будут являться истоком и стоком, область, заключенная между обедненными областями р-n переходов - каналом, а сильно легированные р⁺ области сверху и снизу - затвором полевого транзистора.

При приложении напряжения U_зи к затвору ПТ, обеспечивающего обратное смещение р-n перехода (U_зи < 0), происходит расширение высокоомной области р-n перехода в полупроводниковую подложку, поскольку затвор легирован существенно сильнее, чем подложка (N_A >> N_D). При этом уменьшается поперечное сечение канала, а следовательно, увеличивается его сопротивление. Приложенное напряжение сток-исток U_си вызовет ток в цепи канала полевого транзистора. Знак напряжения U_си необходимо выбирать таким образом, чтобы оно также вызывало обратное смещение затворного р-n перехода, то есть было бы противоположно по знаку напряжению U_зи. Таким образом, полевой транзистор с затвором в виде р-n перехода представляет собой сопротивление, величина которого регулируется внешним напряжением.

Конструктивно ПТ с затвором в виде р-n перехода обычно выполняется с использованием планарной технологии (рис. 5.6).

Для изготовления планарного транзистора с каналом n-типа используется подложка кремния дырочного типа проводимости (p-типа) с выращенной на её поверхности эпитаксиальной пленки кремния электронного типа проводимости (n-типа). После окисления поверхности кремния в защитном слое окисла SiO₂ вскрываются окна, через которые методом диффузии или ионного легирования создаются области истока, стока и затвора. От этих областей методом металлизации формируются выводы, представляющие невыпрямляющие контакты металл-полупроводник. Подложка p-Si также металлизируется и в некоторых конструкциях полевых транзисторов от нее формируется вывод, на который можно подавать обратное напряжение U_пи.

Длина канала L_к определяется размерами затвора и шириной запирающего слоя (рис. 5.6) и достигает величины 5 мкм.

Технологическая ширина канала d₀≈0,7…1 мкм. Толщина проводящего канала l определяется из выражения

l=d₀ – l_з– l_п≈ d₀–2l_з,

где l_з и l_п – ширина запирающих слоев обратно-смещенных p-n переходов затвор-канал и подложка-канал, соответственно.

Ширина запирающих слоев рассчитывается по формуле (4.8):

,

где N_d – концентрация легирующей примеси в n-канале.

Работа ПТ основана на изменении электросопротивления канала за счет изменения его ширины при подаче обратных напряжений на затвор и исток.

Удельное сопротивление слоя затвора (p⁺ или n⁺ типа проводимости) намного меньше удельного сопротивления канала. Поэтому область p-n перехода, обедненная подвижными носителями и имеющая очень большое удельное электросопротивление, расположена главным образом в канале. Этот эффект получил название эффекта Эрли.

При подаче запирающего напряжения U_зи на p-n переход между затвором и каналом, переход смещается в обратном направлении. Ширина слоя, обедненного носителями заряда, увеличивается. Следовательно, уменьшается ширина канала и увеличивается его сопротивление.

Статические характеристики полевых транзисторов с управляющим p-n переходом.

Управляющая характеристика, при различных напряжениях насыщения стока U_сн приведена на рис. 5.7, а. Она аналогична управляющей характеристике МДП-транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом. Видно, что при напряжении на затворе U_з=0 ток стока I_с равен нулю. При напряжениях на затворе U_зи, превышающих напряжение отсечки U_отс, ток стока I_с начинает увеличиваться с ростом напряжения U_зи, причем тем быстрее, чем больше напряжение U_си. Величина тока стока аппроксимируется уравнением (5.6).

Эффект модуляции ширины канала входным напряжением U_зи позволяет осуществление усиления тока в канале.

Выходные характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом представлены на рис. 5.7, б. По форме они не отличаются от аналогичных характеристик, приведенных для МДП транзисторов. Крутой участок I характеризуется почти линейной зависимостью тока стока вплоть до напряжения насыщения, значение которого определяется из выражения (5.4):

U_{си нас}=(U_зи – U₀).

При малых напряжениях U_cи ток стока пропорционален напряжению U_cи и определяется из уравнения

, (5.7)

где , Ом – сопротивление канала.

Из уравнения (5.7) найдем выходное сопротивление R_к полевого транзистора с управляющим p-n переходом, работающего в линейном режиме:

. (5.8)

Уравнение вольтамперной характеристики полевого транзистора на пологом участке II (режим насыщения) имеет вид:

, (5.9)

где - значение тока стока приU_зи=0.

Причина появления на выходной ВАХ пологого участка, как и в предыдущих случаях, связана с сужением проводящего канала у стокового p-n перехода за счет увеличения ширины запирающего слоя в p-области обратно-смещенного n⁺-p перехода стока.

Уравнение (5.9) для удобства расчетов обычно аппроксимируют квадратичной зависимостью, аналогичной (5.6):

,

где все обозначения приведены выше.

Теоретически, в режиме насыщения ток стока не зависит от напряжения U_си. Существование тока в режиме насыщения объясняется тем, что к области перекрытия приложена разность потенциалов ΔU=U_си – U_нас . Эта разность потенциалов создаёт продольное электрическое поле, являющееся ускоряющим для подходящих к области перекрытия канала электронов. Ускоряющее поле переносит подошедшие электроны через область перекрытия к стоку, вызывая в цепи стока ток. C ростом U_си длина канала уменьшается, а напряжение на канале остается равным U_нас, поэтому напряженность поля в канале, а значит, и ток стока, увеличиваются. Следовательно, чем короче канал, тем больше относительное изменение тока при изменении напряжения U_си.

Участок III является участком пробоя p-n перехода стока, на который подается высокое обратное напряжение U_си.