Литература / (тоже супер) физосновы для экз

структурой потока носителей, а «привходящими» обстоятельствами, в данном случае — наличием близлежащего диэлектрика. Повышенный уровень собственных шумов — один из недостатков МДП-транзисторов.

Переходные и частотные характеристики. Малосигнальная эквивалентная схема МДП-транзистора показана в общем виде на рисунке 3.89а. Поскольку подразумевается работа транзистора на пологих участках ВАХ, в качестве сопротивления канала использована величина rc. Элементами, отражающими усилительную способность транзистора, являются источники тока SзUзи и SпUпи. Сопротивления Rзи и Rзс — это сопротивления диэлектрика затвора: ими обычно пренебрегают, так как они имеют значения 1013–1014 Ом и более. Сопротивления Rпи и Rпс — это обратные сопротивления p-n-переходов истока и стока; их значения составляют 1010–1011 Ом. Емкости Cпи и Cпс — это барьерные емкости тех же переходов; их значения зависят прежде всего от площадей истока и стока.

Рис. 3.89

Малосигнальные эквивалентные схемы МДП-транзистора:

а — полная; б — упрощенная при Uпи = 0.

Если, например, размеры обоих этих электродов составляют 20 × 40 мкм2, то при удельной емкости 150 пФ/мм2 получаем Cпс = Cпи = 0,12 пФ. Наконец емкости Cзи и Cзс — это емкости металлического электрода затвора относительно слоев истока и стока.

В том наиболее распространенном случае, когда исток соединен с подложкой, источник тока SпUпи отсутствует, а сопротивления Rпи и емкость Cпи оказываются закороченными. Если, кроме того, пренебречь сопротивлениями ди-

электрика Rзи и Rзс, получаем для данного случая эквивалентную схему, показанную на рисунке 3.89б. Эта схема служит основой большинства практических расчетов.

Происхождение емкостей Cзи и Cзс показано на рисунке 3.90. Они обусловлены так называемым перекрыти-

ем областей истока и стока затвором (коротко — перекрытием затвора). Имеется в виду, что по технологическим причинам часто не удается расположить электрод затвора точно между слоями n+, как показано на идеализированной структуре. Тогда между краями затвора и этими слоями образуются паразитные емкости перекрытия Cзи и Cзс. Обычно эти емкости в несколько раз меньше барьерных, но их роль (особенно емкости Cзс) весьма существенна.

Емкостьмеждузатворомиканалом(Cз)нарисунке3.90 не показана, так как вносимая ею инерционность отражена комплексным характером крутизны (см. ниже).

Инерционность МДП-транзисторов по отношению к быстрым изменениям управляющего напряжения Uзи обусловлена двумя факторами: перезарядом емкости затвора Cз и перезарядом межэлектродных емкостей.

Первый фактор можно пояснить следующим образом. Скачок напряжения Uзи вызывает изменение поля в диэлектрике вблизи истока. До тех пор пока это изменение не распространится до стока, ток Iс остается неизменным. Время распространения определяется скоростью заряда емкости Cз через сопротивление канала.

Второй фактор связан с тем, что если даже ток Iс возрастает скачком, то напряжение Uс, а значит, и ток во внешней цепи, будут нарастать плавно — по мере перезаряда межэлектродных емкостей. Скорость этого перезаряда зависит от внешних сопротивлений, т. е. не определяется свойствами собственно транзистора. Однако при прочих равных условиях она тем больше, чем меньше

межэлектродные емкости. В этом смысле значения емкостей транзистора являются показателем его быстродействия.

Из сказанного ясно, что относительная роль обоих инерционных факторов в принципе неоднозначна и во многом зависит от схемы. Вместе с тем ясно, что первый фактор (время заряда емкости Cз) является лимитирующим: он определяет предельное быстродействие МДПтранзистора в режиме короткого замыкания цепи стока (когда влияние межэлектродных емкостей отсутствует).

Цепь затвора, строго говоря, представляет собой систему с распределенными параметрами. В инженерной практике целесообразно аппроксимировать ее простой RC-цепью в виде емкости затвора Cз и сопротивления канала R0.

Сопротивление канала выражается формулой (3.47), а емкость затвора легко записать, зная площадь затвора (ZL) и его удельную емкость (3.31):

Заряд и разряд RC-цепи описываются простейшей экспоненциальной функцией. Такой же функцией будет описываться крутизна транзистора, поскольку она характеризует изменение тока Iс при заданном скачке напряжения Uзи. Следовательно, в операторной форме крутизну можно записать следующим образом:

где τs = CзR0 — постоянная времени крутизны. В комплексной форме крутизна будет иметь вид:

дуль и фаза выражения (3.56) будут соответственно амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристиками крутизны.

Постоянную времени τs легко получить, умножая емкость затвора (3.54) на сопротивление канала (3.47). С учетом (3.37) получаем

Например, если L = 10 мкм, μ = 500 см2/В с и Uзи – U0 = = 4 В, то τs = 0,5 нс. Тогда fs = (1/2π)ωs ≈ 300 МГц.

Из выражения (3.57) очевидна предпочтительность n-канала перед p-каналом (большая подвижность μ), а также определяющая роль длины канала. У современных МДП-транзисторов удается делать длину канала менее 1 мкм. При этом τs < 0,01 нс и fs > 15 ГГц. Такие значения параметров часто позволяют пренебречь инерционностью крутизны и считать, что инерционность МДП-транзистора обусловлена только межэлектродными и паразитными емкостями.

3.5.3. Полевые транзисторы

Идеализированная структура современного полевого транзистора показана на рисунке 3.91. Здесь металлический контакт вместе со слоем p+ играет роль затвора, но затвор отделен от полупроводника n-типа не диэлектриком, как в случае МДП-транзисторов, а обедненным слоем p-n-перехода. На переход задается обратное напряжение.

Вообще говоря, p-слой не обязателен: обедненный слой может иметь место и при непосредственном кон-

Рис. 3.91

Структура

полевого

транзистора

такте металла с полупроводником. Транзисторы с такой структурой называют полевыми транзисторами с барьером Шоттки. Основные свойства обеих разновидностей одинаковы, поэтому ниже рассматриваются только транзисторы с p-n-переходом, анализ которых более нагляден.

Ниже будет показано, что для нормальной работы полевого транзистора толщина рабочего слоя под затвором (величина a на рисунке 3.91) должна составлять не более нескольких микрон. Кристаллы полупроводника такой толщины оказываются непригодными из-за механической хрупкости. Поэтому структуру на рисунке 3.91 следует понимать как тонкий рабочий n-слой, расположенный на более толстой «несущей» пластине, которая на рисунке не показана.

Принцип действия. На p-n-переход затвора задается обратное напряжение. Глубина обедненного слоя l меняется: чем больше обратное напряжение, тем глубже обедненный слой и тем соответственно меньше толщина канала w. Таким образом, меняя обратное напряжение на затворе, можно менять поперечное сечение, а значит, и сопротивление канала. При наличии напряжения на стоке будет меняться ток канала, т. е. выходной ток транзистора.

Усиление мощности обеспечивается малой величиной входного тока. У полевых транзисторов входным током является обратный ток p-n-перехода затвора. Для кремниевых p-n-переходов небольшой площади обратный ток составляет до 10–11 А и менее.

Определим зависимость толщины и сопротивления канала от управляющего напряжения на затворе при нулевом напряжении на стоке. Толщину канала согласно рисунку 3.91 можно записать следующим образом:

w = a – l,

где a — расстояние от «дна» n-слоя до металлургической границы перехода.

Пренебрегая равновесной высотой потенциального барьера и соответственно используя для l выражение, по-

лучаем зависимость толщины канала от напряжения на затворе:

Под Uзи здесь и ниже понимается модуль напряжения на затворе.

Из условия w = 0 легко найти напряжение отсечки, при котором обедненный слой перекрывает весь канал и ток в канале прекращается:

Например, если N = 5 1015 см–3 и a = 2 мкм, то Uзо = 12,5 В. С учетом высоты равновесного барьера напряжение отсечки будет несколько меньше.

Как видим, толщина рабочего слоя и концентрация примеси в нем должны быть достаточно малы. В противном случае напряжение отсечки будет настолько большим, что полное управление током (начиная с нулевого значения) окажется практически невозможным.

Используя величину Uзо, толщину канала можно записать в следующей форме:

Такая толщина сохраняется по всей длине канала. Сопротивление канала в этом случае равно

где Z — ширина канала; ρ — удельное сопротивление n-слоя.

При ρ = 1 Ом см, a = 2 мкм и Uзи = 0 получается минимальное значение R0 мин = 0,5 КОм. При Uзи/Uзо = 0,5 сопротивление R0 возрастет до 1,8 КОм.

Статические характеристики. Если подано напряжение Uси, то через канал протекает ток и поверхность ка-

а

нала, прилегающая к обедненному слою, не будет эквипотенциальной.

Соответственно напряжение на p-n-переходе будет меняться вдоль оси

бx, возрастая вблизи сто-

ка. Значит, и ширина обедненного слоя перехода будет увеличиваться в направлении от истока к сто-

вку (рис. 3.92а).

Когда разность потенциалов Uси – Uзи (где Uзи < 0) сделается равной напряжению отсечки Uзо, толщина канала вблизи стока станет равной нулю, т. е. образуется «горловина» канала (рис. 3.92б). В отличие от случая Uзи = Uзо

это не приводит к отсечке тока, так как самообразование «горловины» есть следствие увеличения тока. Вместо отсечки тока происходит отсечка его приращений, т. е. насыщение тока.

Образование «горловины» канала знакомо по МДПтранзисторам. В дальнейшем, когда Uси – Uзи > Uзо, «горловина» перемещается к истоку, а длина канала несколько уменьшается (рис. 3.92в). Эти явления также свойственны МДП-транзисторам.

Из приведенного описания следует, что напряжение насыщения для полевых транзисторов выражается следующим образом:

Семейство стоковых ВАХ (рис. 3.93а) имеет сходство с аналогичным семейством для МДП-транзисторов. Однако с ростом напряжения на затворе (по модулю) ток стока в данном случае не возрастает, а уменьшается. Можно ска-

Рис. 3.93

Статические характеристики полевого транзистора:

а — выходные; б — передаточные.

зать, что полевому транзистору свойственен режим обеднения, подобно МДП-транзистору со встроенным каналом.

Семейство стоко-затворных ВАХ (рис. 3.93б) отличается от аналогичного семейства МДП-транзисторов прежде всего тем, что ток протекает при нулевом напряжении на затворе. Условно можно сказать, что напряжение отсечки

уполевого транзистора эквивалентно отрицательному пороговому напряжению у МДП-транзистора. Важная особенность ВАХ на рисунке 3.93б состоит также в том, что

напряжение на затворе может иметь только одну полярность, в данном случае — отрицательную. В противном случае напряжение на p-n-переходе будет прямым, начнется инжекция неосновных носителей и транзистор перестанет быть униполярным прибором. Заметим, что

уМДП-транзисторов со встроенным каналом, которые во многом аналогичны полевым транзисторам, ограничение на полярность управляющего напряжения не имеет места, так как затвор отделен от канала диэлектриком.

Аналитические выражения для ВАХ полевого транзистора:

•на крутом участке

368 Р А З Д Е Л 3

где R0 мин — сопротивление канала при Uзи = 0 [см. (3.61)]. Выражение (3.64) хорошо аппроксимируется квадратичной зависимостью, аналогичной зависимости (3.38)

для МДП-транзисторов:

Здесь коэффициент b, аналогичный удельной крутизне МДП-транзистора, имеет вид:

Например, при μ = 1500 см2/В с, Z/L = 10 и a = 2 мкм получаем b = 0,12 мА/В2. Заметим, что в этом примере мы использовали значение подвижности, свойственное объему полупроводника, так как у полевых транзисторов канал не граничит с поверхностью.

Полевым транзисторам, как и МДП-транзисторам, свойственно понятие критического тока, при котором зависимость тока от температуры в принципе отсутствует.

У полевых транзисторов наличие критического тока обусловлено противоположным влиянием функций b(T) и Uзо(T). Функция b(T) связана с температурной зависимостью подвижности, как и у МДП-транзисторов. Что касается функции Uзо(T), то из (3.59) она не вытекает. Однако, если при выводе выражения (3.59) использовать более точную зависимость, то в него войдет равновесная высота барьера в p-n-переходе; последняя зависит от температуры. Именно с учетом этой зависимости и получается величина критического тока.

Из условия dIс/dT = 0 можно найти напряжение на затворе, соответствующее критическому току:

[ср. с (3.53)]. Обычно значения критического тока лежат в области микрорежима.

Малосигнальные параметры и эквивалентная схема.

Если воспользоваться аппроксимацией (3.65), то на пологом участке крутизна, по аналогии с (3.49а), будет равна

а зависимость крутизны от тока выражается формулой (3.49б).

Дифференциальное сопротивление стока rс обусловлено той же причиной (модуляцией длины канала) и имеет те же значения, что и у МДП-транзисторов [см. (3.50)].

Малосигнальная эквивалентная схема полевого транзистора показана на рисунке 3.94. Элементы этой схемы в сущности те же, что и у МДП-транзистора (см. рис. 3.89): rс — диффе-

ренциальное сопротивление канала на пологом участке ВАХ; SUзи — источник тока, отражающий усилительные свойства транзистора; Rзи и Rзс — обратные сопротивления p-n-перехода; Cзи и Cзс — барьерные емкости боковыхчастейp-n-перехода (см. рис. 3.91).

Инерционность изменения тока, как и у МДПтранзисторов, характери-

зуется постоянной времени τs крутизны. Этот параметр также представляет собой произведение сопротивления канала на емкость «затвор — канал». Поскольку сечения канала и обедненного слоя разные на разных участках (см. рис. 3.92), воспользуемся средними значениями w и l. А именно, примем wср = lср = 1/2a. Тогда средняя емкость и среднее сопротивление канала запишутся следующим образом: