Литература / (тоже супер) физосновы для экз

Р е ш е н и е.

1. Исходное значение коэффициента передачи тока базы для низких и средних частот обозначим β0. На частоте 150 КГц этот коэффициент можно найти из выражения

Подставив значения текущей и граничной частот, получаем

β(150) /β0 = 1/ 1+ (150 103 /(100 103 ))2 = 0,554,

т.е. коэффициент передачи уменьшается почти вдвое.

2.На частоте 150 КГц выходной ток Iк будет отставать от входного тока Iб на угол, определяемый выражением

ϕ= – arctg(f /fβ) =

=– arctg(150 103/(100 103)) = –56°20′.

Задача 3.39. Заданы граничная частота транзистора fh21б = 20 МГц и коэффициент передачи h21б = 0,99. Найти коэффициент передачи h21э на частоте 300 КГц.

Р е ш е н и е.

1. Находим значение h21э для низких и средних частот:

h21э = h21б/(1 – h21б) = 0,99/(1 – 0,99) = 99.

2. Граничная частота параметра h21э может быть найдена следующим образом:

fh21э = fh21б /(1+ h21э ) = 20 106 /(1+ 99) = 200 кГц.

3. Теперь можно найти значение h21э на частоте

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Дайте определение биполярного транзистора.

2.Каково устройство биполярного транзистора и как называются его выводы?

3.Приведите схематическое, упрощенное изображение структуры транзистора n-p-n- и p-n-p-типов,

атакже варианты их условного графического обозначения.

4.Приведите формальное представление структуры транзистора.

5.Нарисуйте схему транзистора при смещении эмиттерного перехода в прямом, а коллекторного — в обратном направлении и дайте характеристику ее работы.

6.Как различаются диффузионные и дрейфовые транзисторы?

7.Нарисуйте схему транзистора с ОБ и запишите ее характеристики и параметры.

8.В чем сущность эффекта Эрли (эффекта модуляции толщины базы)?

9.Охарактеризуйте режимы работы транзистора. 10. Нарисуйте схему транзистора с ОЭ и запишите ее

характеристики и параметры.

11. Изобразите схематически на выходных характеристиках для схемы с ОЭ область безопасной работы и укажите напряжение Эрли.

12. Какова схема инверсного включения транзистора?

13. Изобразите схемы включения транзистора: ОЭ, ОБ, ОК.

14. Приведите математическую запись и дайте физический смысл h-параметров.

15.Нарисуйте малосигнальные эквивалентные схемы транзистора при включении по схемам с ОБ и ОЭ

изапишите выражения для h -параметров.

16.Нарисуйте простейший вариант модели Эберса — Молла с двумя источниками тока.

17.Нарисуйте математическую модель транзистора с одним источником тока.

18.Нарисуйте эквивалентную схему транзистора с ОЭ

иего идеализированные входные и выходные характеристики.

19.Нарисуйте схему цепи с транзистором для ее анализа, линии нагрузки для входной и выходной цепей, а также схему с транзистором, который заменен эквивалентной схемой.

20.В чем сущность анализа схем с использованием эквивалентной схемы транзистора?

21.Изобразите временные диаграммы токов в транзисторе и зависимость модуля коэффициента усиления от частоты.

22.В чем сущность и преимущества комплексного метода анализа электронных схем?

23.Приведите классификацию и систему обозначений транзисторов.

3.5. УНИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

3.5.1. Общие сведения

Работа униполярных транзисторов основана на использовании только одного типа носителей — основных (или электронов, или дырок). Процессы инжекции и диффузии в таких транзисторах практически отсутствуют, во всяком случае они не играют принципиальной роли. Основным способом движения носителей является дрейф в электрическом поле.

Для того чтобы управлять током в полупроводнике при постоянном электрическом поле, нужно менять либо удельную проводимость полупроводникового слоя, либо его площадь. На практике используется и тот, и другой способ, причем в основе обоих способов лежит эффект

поля. Поэтому униполярные транзисторы обычно называют полевыми транзисторами. Проводящий слой, по которому проходит рабочий ток, называют каналом. Отсюда еще одно название такого класса транзисторов — канальные транзисторы.

Каналы могут быть приповерхностными и объемными. Приповерхностные каналы представляют собой либо обогащенные слои, обусловленные наличием донорных примесей в диэлектрике, либо инверсионные слои, образующиеся под действием внешнего поля. Объемные же каналы представляют собой участки однородного полупроводника, отделенные от поверхности обедненным слоем. Оба варианта каналов, а также способы их использования показаны на рисунке 3.80.

Рис. 3.80

Принцип использования каналов в униполярных тразисторах:

а — приповерхностный n-канал; б — объемный p-канал; 1 — обедненный слой.

Транзисторы с приповерхностным каналом (рис. 3.80а) имеют классическую структуру «металл — диэлектрик — полупроводник» (МДП). Их называют

МДП-транзисторами. В частном случае, если диэлектриком является окисел (двуокись кремния SiO2), используется название МОП-транзисторы.

Транзисторы с объемным каналом (рис. 3.80б) характерны тем, что обедненный слой создается с помощью p-n- перехода. Поэтому их часто называют полевыми транзисторами с p-n-переходом. Однако это название длинное и неудобное. Поэтому ниже мы будем называть их просто

полевыми транзисторами.

Несмотря на различие в структуре, полевые и МДПтранзисторы имеют много общего. Обоим транзисторам свойственна явно выраженная управляющая цепь (с источником напряжения U), четко отделенная от управляе-

мой цепи, в которой протекает рабочий ток I. Управляющая часть практически не употребляет тока, поскольку в нее входит либо участок диэлектрика (см. рис. 3.80а), либо обратно-смещенный p-n-переход (см. рис. 3.80б). Направление электрического поля, создаваемого управляющим напряжением, перпендикулярно направлению тока. Наряду с общими чертами каждый из этих двух транзисторов обладает, конечно, и рядом отличительных особенностей.

3.5.2. МДП-транзисторы

Реальная структура МДП-транзистора с каналом, выполненного на основе полупроводника p-типа, показана на рисунке 3.81. Металлический электрод создающий эффект поля, называют затвором (З). Два других электрода называют истоком (И) и стоком (С). Эти электроды

Рис. 3.81

Структура МДП-транзистора с индуцированным n-каналом

в принципе обратимы. Стоком является тот из них, на который (при соответствующей полярности напряжения) поступают рабочие носители канала. Если канал n-типа, то рабочие носители — электроны и полярность стока положительная. Исток обычно соединяют с основной пластиной полупроводника, которую называют подложкой (П).

Принцип действия. В идеальном случае, когда равновесный потенциал поверхности равен нулю (ϕs0 = 0), МДПтранзистор с n-каналом работает следующим образом. Пусть затвор соединен с истоком, т. е. Uзи = 0. При этом

канал отсутствует и на пути между стоком и истоком оказываются два встречновключенных p-n+-перехода. Поэтому при подаче напряжения Uси ток в цепи стока будет ничтожно мал.

Если подать на затвор отрицательное напряжение Uзи < 0, то приповерхностный слой обогатится дырками; при этом ток в рабочей цепи мало изменится. Если же подавать на затвор все большее положительное смещение Uзи > 0, то сначала образуется обедненный слой (объемный заряд акцепторов), а затем — инверсный слой электронов, т. е. проводящий канал. После этого ток стока принимает конечное значение и зависит от напряжения на затворе. Это и есть рабочий режим МДП-транзистора. Поскольку входной ток (в цепи затвора) ничтожно мал, получается значительное усиление мощности, гораздо большее, чем у биполярных транзисторов.

Каналы, отсутствующие в равновесном состоянии и образующиеся под действием внешнего напряжения, называют индуцированными. Толщина индуцированного канала практически неизменная (1–2 нм), поэтому модуляция его проводимости обусловлена изменениями концентрации носителей. Напряжение на затворе, при котором образуется канал, называют пороговым напряжением и обозначают U0. Длина канала L равна расстоянию между слоями истока и стока, а ширина Z — протяженности этих слоев.

Если выбрать подложку n-типа, а слои истока и стока сделать p+-типа, то получится МДП-транзистор с индуцированным p-каналом. Он характерен обратными полярностями порогового и рабочих напряжений: U0 < 0, Uзи < 0, Uси < 0.

Электронные схемы, в которых используется сочетание транзисторов с n- и p-каналами, называют комплементарными схемами — так же, как и в случае биполярных транзисторов.

Подложку МДП-транзисторов стараются делать из материала с высоким удельным сопротивлением, с тем чтобы облегчить образование канала и увеличить пробивное напряжение переходов истока и стока.

В принципе механизм работы и свойства МДПтранзисторов с n- и p-каналами одинаковы. Однако есть и некоторые различия. Во-первых, n-канальные транзисторы более быстродействующие, так как подвижность их рабочих носителей — электронов примерно в три раза выше, чем дырок. Во-вторых, у n- и p-канальных транзисторов структура приповерхностного слоя в равновесном состоянии оказывается разной и это отражается на величине порогового напряжения.

Различие в структуре приповерхностного слоя объясняется разным влиянием электронов, поступающих в него от донорных примесей, имеющихся в диэлектрике. В подложке n-типа эти электроны создают обогащенный слой, который препятствует образованию p-канала; соответственно пороговое напряжение у p-канальных транзисторов увеличивается. В подложке p-типа те же электроны, рекомбинируя с дырками, создают обедненный слой,

т.е. способствуют образованию n-канала; соответственно пороговое напряжение у n-канальных транзисторов уменьшается.

Нередко концентрация электронов, поступивших из диэлектрика, настолько велика, что в подложке p-типа образуется не только обедненный, но и инверсионный слой,

т.е. n-канал. Поскольку такой канал существует при нулевом напряжении на затворе, его уже нельзя считать индуцированным (т.е. наведенным полем затвора). Значит, величина порогового напряжения теряет свой обычный смысл. В транзисторах этого типа канал называют встроенным (т.е. имеющимся «заранее»), а вместо порогового напряжения вводят параметр напряжения отсечки. Это — напряжение, при котором электроны равновесного инверсионного слоя отталкиваются от поверхности и встроенный канал исчезает. Для того чтобы предотвратить образование равновесного канала, при изготовлении n-канальных МДП-транзисторов приходится использовать специальные меры по обработке поверхности кремния и диэлектрика,

атакже использовать подложку с повышенной концентрацией акцепторов. Все это делает технологию n-канальных транзисторов сложнее, чем p-канальных.

Вообще говоря, наличие встроенного канала не является препятствием для использования МДП-транзистора. Такие транзисторы работают при обеих полярностях напряжения затвора: при отрицательной полярности канал обедняется носителями и ток стока уменьшается; при положительной полярности канал обогащается и ток увеличивается. Однако транзисторы с индуцированным каналом имеют гораздо большее распространение, хотя они работают только при одной полярности напряжения на затворе — той, при которой возникает канал. В тех сравнительно редких случаях, когда встроенный канал желателен, его обычно специально осуществляют с помощью ионного легирования (рис. 3.82).

Рис. 3.82

Структура МДП-транзистора со встроенным n-каналом

Вдальнейшем рассматриваются только транзисторы

синдуцированным n-каналом, как более перспективные и к тому же характерные положительными рабочими напряжениями, что удобно при анализе.

Пороговое напряжение. Напряжение затвора наводит в полупроводнике тем больший удельный заряд (на единицу площади), чем больше удельная емкость между металлом и поверхностью полупроводника. Значит, удельная емкость «затвор — канал» определяет управляющую способность затвора и потому является одним из важных параметров МДП-транзистора. Эта емкость имеет вид

где d — толщина диэлектрика; εд — его диэлектрическая проницаемость.

Уменьшение величины d желательно, но ограничено пробоем диэлектрика. Типичные значения толщины дву-

окиси кремния составляют d = 0,1–0,15 мкм. Если положить d = 0,15 мкм и εд = 3,5 (для SiO2), то C0 ≈ 200 пФ/мм2.

Пороговое напряжение U0 можно разделить на две составляющие (рис. 3.83 — на зонной диаграмме положительные значения электрических потенциалов откладываются вниз)

U0 = U0F + U0B. (3.32)

Составляющая U0F — это напряжение спрямления зон: оно сводит к нулю равновесный поверхностный потенциал ϕs0, т. е. ликвидирует начальное искривление зон (ср. кривые 1 и 2). На рисунке 3.83 начальное искривление принято противоположным тому, которое необходимо для образования канала.

Составляющая U0B — это напряжение изгиба зон: оно обеспечивает изгиб зон в сторону, необходимую для образования канала (кривая 3) и создает поверхностный потенциал ϕsm, при котором уровень электростатического потенциала пересекает уровень Ферми.

Таким образом, напряжение U0F характеризует «подготовленность» полупроводника к образованию канала: если ϕs0 = 0, то и U0F = 0, а если равновесные зоны искривлены вниз, то U0F <0. Что касается напряжения U0B, то оно опре-

Рис. 3.83

Зонные диаграммы МДП-транзистора при напряжениях на затворе от 0 до U0

деляет значение порогового напряжения в «идеальных» условиях, когда поверхностный потенциал равен нулю.

Напряжение U0F выражается следующим образом:

где Q0s — равновесный удельный заряд поверхности, включающий в себя заряд поверхностных состояний

изаряд, обусловленный ионами примесей в диэлектрике; ϕMS — контактная разность потенциалов между металлом

идиэлектриком. Величина Q0s получается экспериментально и составляет обычно Q0s = 5 10–9–5 10–8 Кл/см2. Напряжение U0B выражается следующим образом:

— коэффициент, характеризующий влияние объемного заряда в подложке (εп — диэлектрическая проницаемость полупроводника; N — концентрация примеси).

Обычно полагают ϕsm = 2ϕF, где ϕF — модуль разности между уровнем Ферми и уровнем электростатического потенциала в объеме полупроводника. Например, если N = 1016 см–3, то согласно связи уровня Ферми и концентрации свободных электронов ϕF = ϕsm – ϕT ln(n/ni) ≈ 0,3 В и, значит, ϕsm = 0,6 В; согласно (3.34) a ≈ 5 108 Ф В1/2/см2. Полагая C0 = 2 10–8 Ф/см2, из (3.33б) получаем U0B ≈ 2,6 В. Практически значения полного порогового напряжения лежат в пределах U0 = 0,5–3,5 В.

Статические характеристики. Рассмотрим влияние тока на структуру канала. Если напряжение Uси = 0, то поверхность полупроводника эквипотенциальная, поле в диэлектрике однородное и толщина образовавшегося канала h одинакова на всем протяжении (см. рис. 3.84а).

Если же Uси > 0, то протекает ток и потенциал поверхности возрастает от истока к стоку. Значит, разность потенциалов между затвором и поверхностью в направлении стока уменьшается. Соответственно уменьшается напря-