ФОЭ, учебное пособие 2016

Статическими характеристиками называют графики зависимости одних постоянных напряжений и токов электронных элементов и цепей от других их напряжений и токов. Примерами статических характеристик являются ВАХ диода Шотки или p-n диода.

Транзистор всегда включается как четырёхполюсник, имеющий вход и выход. Входные характеристики связывают входные напряжения и токи,

выходные характеристики связывают выходные напряжения и токи.

Проходные, или переходные характеристики связывают входные токи или напряжения с выходными.

Примером статической характеристики является проходная характеристика МДП-транзистора, рис. 25. Она соответствует

Рис. 25

зависимостям (34). Т.к. она связывает ток стока и напряжение на затворе, её называют также стоко-затворной характеристикой.

На рис. 25 штриховой линией изображена также стоко-затворная характеристика МДП-транзистора с индуцированным каналом р-типа. В таком транзисторе пороговое напряжение отрицательное, канал существует при отрицательных Uзи.

На рис. 26 изображены выходные характеристики МДП-транзистора.

41

Рис.26

Они отражают зависимость выходного тока Iс от выходного напряжения Uси. Этот ток зависит ещё и от входного напряжения Uзи. Поэтому выходные характеристики обычно изображаются в виде семейства характеристик. Каждая из характеристик семейства соответствует некоторому неизменному Uзи. В результате семейство характеристик отображает обе важнейшие

зависимости: Iс = f1(Uси) и Iс = f2(Uзи).

Выходные характеристики МДП-транзисторов имеют два характерных участка. Первый участок соответствует малым значениям Uси. В этой области канал по всей своей длине одинаков, его сопротивление Rк определяется только

резистивный. Он представляет собой отрезок прямой из начала координат.

Сдальнейшим увеличением Uси форма канала начинает изменяться, рис.

27.Потенциал истока в схеме с общим истоком равен нулю и неизменен. Поэтому разность потенциалов затвор-канал и сила поля вблизи истока также

неизменны. Канал здесь сохраняет исходную толщину и концентрацию свободных электронов. Вблизи стока, потенциал которого равен Uси, разность потенциалов затвор-канал равна Uзи - Uси. Поэтому с ростом Uси поле затвора

42

Рис. 27

здесь ослабевает. Канал вблизи стока становится тоньше, Rк увеличивается. Омический участок характеристики сменяется участком насыщения. Ток стока не уменьшается, так как одновременно растет напряжение между стоком и истоком, увеличивающее скорость дрейфа носителей по каналу. При дальнейшем повышении Uси произойдет пробой p-n- прехода сток-подложка, и это приведет к резкому повышению тока стока за счет обратного лавинного тока перехода.

Такие же по форме выходные характеристики имеют МДП-транзисторы со встроенным каналом, рис. 28.

Они находят ограниченное применение из-за необходимости затрачивать энергию на поддержание состояния отсечки транзистора изготовления дополнительного n-слоя между истоком и стоком. Этот слой выполняет функцию канала, который существует в таком транзисторе и при Uзи = 0. Как и в транзисторах с индуцированным каналом, в МДП транзисторах со встроенным каналом в зависимости от напряжения на затворе наступает обогащение или обеднение канала. При достаточно сильном обеднении,

43

т.е. при Uзи < U0, наступает режим инверсии полупроводника под затвором. Канал исчезает, транзистор запирается. Стоко-затворная характеристика МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа изображена на рис. 29. Здесь же штриховая линия соответствует p-канальному варианту транзистора.

Выходные характеристики всех рассмотренных в разделе 6.5 транзисторов имеют только количественные отличия, рис. 26.

Общепринятые условные обозначения всех МДП-транзисторов приведены в Приложении 2.

6.5. МДП-транзистор с плавающим затвором

Устройство МДП-транзистора с плавающим затвором изображено на рис. 30.

Рис. 30 Рис. 31

В таком транзисторе есть два металлических слоя, выполняющих функцию двух затворов.

На верхний, обычный затвор, может быть подано внешнее напряжение Uзи в виде короткого импульса, рис. 31. Возникает электрическое поле, которое заряжает внутренний, плавающий затвор. В зависимости от знака поданного Uзи, заряд плавающего затвора будет +Q или –Q. Этот заряд, в свою очередь, создает вокруг себя электрическое поле, проникающее в полупроводник. При +Q в полупроводнике возникает режим инверсии. Образуется n-канал, транзистор открыт. При отрицательном Uзи плавающий затвор приобретает заряд –Q. Канал исчезает (закрытое состояние).

Главное свойство такого транзистора - заряд плавающего затвора не исчезает после отключения Uзи. Благодаря тому, что плавающий затвор со всех сторон окружён высококачественным диэлектриком, пути для тока разряда нет и заряд затвора сохраняется в течение нескольких лет. В течение этого же времени сохраняется открытое или закрытое состояние. Таким образом, МДП-

44

транзистор с плавающим затвором обладает свойствами ячейки памяти, способной хранить 1 бит информации.

Запись открытого состояния (условно единицы) осуществляется подачей на затвор короткого положительного импульса, рис. 31. Стирание прежнего заряда и переход в закрытое состояние (запись нуля) осуществляется подачей короткого отрицательного импульса.

МДП-транзисторы с плавающим затвором и их разновидности получили исключительно широкое распространение в современной электронике. На их использовании, в частности, основывается работа флеш-памяти.

6.6.Арсенид-галлиевый полевой транзистор

Варсенид-галлиевом полевом транзисторе (в дальнейшем GaAs-

транзистор), как и в МДП-транзисторе, используется полевой эффект – влияние электрического поля на полупроводник. И хотя в GaAs-транзисторе нет диэлектрического слоя, подобием его является слой обеднённого полупроводника на границе металло-полупроводникового контакта Шотки.

Вработе МДП- и GaAs-транзисторов много общего. Устройство GaAsтранзистора поясняет рис. 32. Сам GaAs кристалл примесей не содержит. Благодаря большой ширине запрещённой зоны собственная концентрация носителей заряда беспримесного GaAs настолько мала, что по электропроводности этот полупроводник приближается к диэлектрикам. Поэтому проблемы влияния полупроводника, окружающего транзистор, не существует.

Канал в таком транзисторе изготавливается сразу, в виде слоя полупроводника n-типа. Металл затвора выбирается так, чтобы контакт между затвором и каналом являлся контактом Шотки. Как в любом другом таком m-n контакте, в приграничной части полупроводника возникает обеднённый слой.

45

При подаче на затвор относительно подложки положительного напряжения наступает обогащение канала. Обеднённый слой сужается, канал расширяется. Ток канала Iс увеличивается (Uси ≠ 0). При подаче отрицательного напряжения на затвор обеднённый слой расширяется. При пороговом напряжении –U0 канал исчезает, транзистор запирается. Типичная стокозатворная характеристика GaAs-транзистора изображена на рис. 33.

Использование GaAs-транзистора при положительных напряжениях Uзи > 0,2…0,4 В приводит к отпиранию m-n перехода и появлению в нём значительного тока. В основной схеме включения полевых транзисторов, схеме с общим истоком, это входной ток Iз. Поэтому возрастает входная мощность и снижается усиление транзистора. При Uзи > 0,2…0,4 В такой транзистор не используется.

Большим достоинством GaAs является исключительно высокая подвижность свободных электронов. Коэффициент подвижности µn арсенида галлия в 6 раз превышает µn кремния. Поэтому быстродействие и частотные свойства GaAs-транзисторов и интегральных схем потенциально намного выше, чем кремниевых. Известны успешные применения таких транзисторов в СВЧ диапазоне (спутниковая связь) и попытки применения GaAs в сверхбыстродействующих ИС (цифровая электроника).

7.N-P-N И P-N-P СТРУКТУРЫ. БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР

7.1.Основные свойства биполярного транзистора

Биполярный транзистор (в дальнейшем БТ) является электронным элементом с двумя р-n переходами (рис. 34).

Рис. 34

46

Здесь изображён БТ со структурой [2] n+–р–n, хотя возможна, но менее распространена p+–n -p структура. В работе таких БТ принципиальных отличий нет. Области БТ получили следующие названия: n+ – эмиттер (область, “испускающая” носители); р – база и n (на рис. 34 – область справа) – коллектор (т.е. область, “собирающая” носители).

Каждая область снабжена омическими контактами металлполупроводник, служащими для подключения к внешним цепям. Названия внешних контактов такие же, как у областей – эмиттер, база, коллектор. P-n переход между эмиттером и базой получил название эмиттерный переход

(ЭП), между базой и коллектором – коллекторный переход (КП).

Важнейшими особенностями конструкции являются:

1)малая толщина базы, не более 0,5 мкм;

2)малая концентрация примеси в базе, порядка 1016 см-3;

3)большая концентрация примеси в эмиттере, до 1020 см-3.

Только при соблюдении перечисленных условий БТ способен проявлять свои главные свойства: усиливать электрические сигналы, а также работать в качестве ключа.

Возможны четыре режима БТ:

1)ЭП открыт, КП закрыт - активный, или усилительный режим.

Единственный режим, в котором возможно неискажённое усиление сигналов;

2)ЭП закрыт, КП закрыт – режим отсечки. Используется в ключе, закрытое состояние ключа;

3)ЭП открыт, КП открыт – режим насыщения. Используется в ключе, открытое состояние ключа;

4)ЭП закрыт, КП открыт – инверсный режим, обратный по отношению к активному режиму. Не используется, как не

эффективный.

Общепринятые условные обозначения БТ и схемы включения его как 4хполюсника приведены в [2].

7.2. Биполярный транзистор в схеме с общей базой

На рис. 35 изображена одна из схем включения БТ – схема с общей базой. Здесь база – общий электрод для входной и выходной цепи, ток которого является алгебраической суммой контурных входного и выходного токов.

47

Рис. 35

Для изучения процессов в БТ наиболее удобен усилительный, или активный режим. Он создаётся двумя внешними напряжениями:

1)Uэб – входное напряжение, прямое для эмиттерного перехода;

2)Uкб– выходное напряжение, обратное для коллекторного перехода.

Воткрытом ЭП, благодаря прямому напряжению, снижаются φк и потенциальный барьер и поэтому протекает большой диффузионный ток

основных носителей Iэ. При этом Iэ имеет электронную Iэn и дырочную Iэp составляющие. Так как концентрация свободных электронов в эмиттере на несколько порядков больше, чем дырок в базе, Iэn >> Iэp. Поэтому в ЭП наблюдается практически односторонний диффузионный ток свободных электронов в базу, так называемая инжекция.

Свободные электроны в базе являются неосновными носителями. Их больше вблизи ЭП, откуда они поступают, поэтому в базе возникает градиент концентрации dn/dw и неосновные носители диффундируют к КП. КП заперт напряжением Uкб, поэтому его электрическое поле для неосновных носителей – ускоряющее. Благодаря этому они извлекаются из базы в коллектор (экстракция). Появляется полезный выходной ток Iк.

Так как база тонкая и слаболегированная, при продвижении неосновных носителей через базу только небольшая их часть рекомбинирует с основными носителями базы (не более 1…2%). В противном случае наблюдалось бы значительное уменьшение выходного тока Iк.

Рекомбинация в базе несколько уменьшает концентрацию её основных носителей — дырок. Электрическая нейтральность базы нарушается, в ней образуется отрицательный заряд некомпенсированных ионов акцепторной примеси. Этот заряд создаёт так называемый рекомбинационный ток в выводе базы Iб рек. Еще одна составляющая тока базы легко обнаруживается при разорванной цепи эмиттера. Тока в ЭП и инжекции при этом нет. В КП

48

протекает небольшой по величине обратный ток коллектора Iкб0, создаваемый обратным напряжением Uкб.

Таким образом, в указанном режиме в БТ действительны следующие соотношения токов:

Iэ = Iк + Iб (закон Кирхгофа для БТ, рассматриваемого как узел цепи) (36)

Эти уравнения называют основными уравнениями БТ в схеме с общей базой.

В кремниевых транзисторах, наиболее распространённых сегодня, Iкб0 пренебрежимо мал. Поэтому из (37) следует: α = Iк / Iэ. Коэффициент передачи эмиттерного тока транзистора в схеме включения с общей базой α является важнейшим параметром БТ. Можно показать, что коэффициент усиления по мощности БТ с общей базой определяется выражением

где Rн –сопротивление нагрузки, включаемое в разрыв коллекторной цепи; rэ - сопротивление открытого ЭП, обычно очень малое.

Так как БТ в отношении нагрузки является источником тока (сопротивление закрытого КП очень велико), Rн может на несколько порядков превышать rэ. Поэтому, согласно (39), Кp может достигать многих тысяч раз.

На величину коэффициента усиления влияют следующие особенности конструкции.

Качество работы ЭП характеризуется коэффициентом инжекции

где Iэn – полезный ток инжекции;

Iэр – бесполезный встречный дырочный ток;

Nэ и Nб – концентрация примесей в базе и эмиттере. Увеличивая Nэ, можно получить γ = 0,999 и более.

49

Качество процессов в базе характеризуется коэффициентом переноса κ, который показывает, какая доля инжектированных в базу носителей избегает рекомбинации и достигает КП:

Этот коэффициент тем ближе к максимальному значению κ = 1, чем тоньше база и меньше в ней концентрация примесей.

Пренебрегая дырочной составляющей эмиттерного тока, умножив (40) на (41) получим:

7.3. Дрейфовый биполярный транзистор

Увеличению коэффициента усиления способствует также неоднородное легирование базы: примесей вводят больше вблизи ЭП, меньше вблизи КП. В такой базе нескомпенсированных ионов примеси, появляющихся из-за рекомбинации основных и неосновных носителей, больше вблизи ЭП (квадраты рис. 36). В результате, в базе возникает собственное электрическое поле.

Рис. 36

Собственное поле в такой базе – ускоряющее для неосновных носителей и сила Кулона FK заставляет их дрейфовать к КП. В результате свободные электроны (кружки на рис.36) пересекают базу быстрее (дрейфовый транзистор). Поэтому время пребывания в такой базе, так называемое время пролёта, меньше, вероятность рекомбинации и потери из-за неё меньше,

50