Литература / (тоже супер) физосновы для экз
.pdf370 |
|
|
|
|
Р А З Д Е Л 3 |
|
|
|
L |
|
|
R0 = ρ |
|
||||
|
. |
(3.69б) |
|||
1/2aZ |
|||||
Соответственно средняя постоянная времени крутиз- |
|||||
ны будет иметь вид: |
|
||||
τs = 4ε0ερL2/a2. |
(3.70) |
||||
Эту величину можно привести к такой же форме (3.57), как у МДП-транзисторов. Для этого подставим в (3.70) значение a2 из (3.59) и учтем соотношение qNμ = σ = 1/ρ;
тогда |
|
τs = 2L2/(μUзо). |
(3.71) |
Таким образом, в принципе переходные и частотные характеристики полевых и МДП-транзисторов могут быть одинаковыми. Однако практически длину канала у полевых транзисторов не удается сделать такой же малой, как у современных МДП-транзисторов. Поэтому в настоящее время быстродействие полевых транзисторов значительно ниже.
Естественно, что полевые транзисторы уступают МДПтранзисторам и по величине входного сопротивления: оно определяется обратным током p-n-перехода и обычно не превышает 1011 Ом. С ростом температуры это сопротивление быстро уменьшается и на границе рабочего диапазона (+125°С) может дойти до 107 Ом и менее.
Важными достоинствами полевых транзисторов являются высокая стабильность характеристик во времени
ималый уровень собственных шумов. Причина этих достоинств в том, что канал отделен от поверхности обедненным слоем, играющим роль диэлектрика. В результате на границе канала с таким «диэлектриком» отсутствуют дефекты кристаллической решетки, поверхностные каналы
изагрязнения — все то, что у МДП-транзисторов является причиной нестабильности и шумовых флуктуаций. По той же причине не происходит уменьшения подвижности, свойственного МДП-транзисторам.
Единственный неизбежный тип шумов у полевого транзистора — это тепловой шум, который свойственен
Ф И З И Ч Е С К И Е О С Н О В Ы РА Б О Т Ы П О Л У П Р О В О Д Н И К О В Ы Х П Р И Б О Р О В |
371 |
каналу, как и любому резистору. Тепловой шум оценивают по формуле Найквиста:
Uш2 = 4kTR f,
где f — полоса частот. Подставляя значения R0 мин =
=0,5 КОм и f = 1 Гц, получаем Uш ≈ 3 нВ.
Вприведенном анализе рассматривалась только активная область полевого транзистора — его канал. Влияние пассивных областей (слоев истока и стока) сводится к дополнению эквивалентной схемы резисторами Rи и Rс, включенными последовательно с истоком и стоком. Сопротивления этих резисторов обычно составляют не более 10–20 Ом, так что их влияние (по сравнению с сопротивлением канала) мало существенно.
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ
Задача 3.40. Определение параметров полевого транзистора. Удельная проводимость канала n-типа полевого транзистора σ = 20,9 Ом/м и ширина канала w = 6 мкм при напряжении «затвор — исток», равным нулю.
1.Найти напряжение отсечки Uотс считая, что подвижность электронов μn = 0,13 м2/(В с), а отно-
сительная диэлектрическая проницаемость кремния ε = 12.
2.При напряжении затвора, равном нулю, сопротивление «сток — исток» равно 50 Ом. При каком напряжении затвора сопротивление «сток — исток» станет равным 200 Ом?
Р е ш е н и е.
1.Удельная проводимость канала n-типа
σ = μnqNd,
где Nd — концентрация примесных атомов; μn — подвижность электронов.
Следовательно,
Nd = σ/μnq = 20,9/(0,13 1,6 10–19) = 1021 м–3.
372 |
Р А З Д Е Л 3 |
Напряжение отсечки
Uотс = qNaa2/2εε0,
где a — половина ширины канала при напряжении «затвор — исток» Uзи = 0:
Uотс = 1,6 10–19 1021 (3,0 10–6)2 :
:(2 12 8,85 10–12) = 6,8 В.
2.Сопротивлениеучастка«сток—исток»транзисто- ра при низком напряжении можно представить в виде резистора, сопротивление которого определяется как
Rси = |
|
|
|
R0 |
|
, |
||
1 − ( |
Uзи |
/Uотс )1/2 |
|
|||||
где R0 — сопротивление «сток — исток» при Uзи = 0. |
||||||||
При Rси = 200 Ом имеем: |
|
|
||||||
50 |
|
|
||||||
200 = |
|
|
|
, |
||||
1 − ( |
Uзи |
/6,8)1/2 |
||||||
откуда |Uзи|= 3,83 В (отрицательно относительно истока).
Задача 3.41. Определение крутизны МОПтранзистора. В МДП-транзисторе с каналом n-типа ширина затвора 0,8 мм, длина канала l = 5 мкм, толщина (оксидного) слоя диэлектрической изоляции d = 150 нм, подвижность электронов в канале μn = 0,02 м2/(В с), относительная диэлектрическая проницаемость оксидной пленки ε = 3,7, напряжение «сток — исток» в пологой части характеристики (при насыщении) Uси = 8 В. Определить крутизну прибора в области насыщения.
Р е ш е н и е. Крутизну прибора в области насыщения вычислим по следующей формуле:
S = μnCзUси/l2,
где μn — подвижность электронов в канале; Cз — емкость затвора; l — длина канала; Uси — напряжение «сток — исток» при насыщении.
Ф И З И Ч Е С К И Е О С Н О В Ы РА Б О Т Ы П О Л У П Р О В О Д Н И К О В Ы Х П Р И Б О Р О В |
373 |
Определим емкость затвора
Cз = εε0l/d=
= 3,7 8,85 10–12 0,8 10–3 5 10–6/(150 10–9)= 0,87 пФ.
Следовательно, крутизна
S = 0,02 0,87 10–12 8/(5 10–6)2 = 5,57 мА/В.
Задача 3.42. Определение параметров канала.
Полевой МОП-транзистор с каналом p-типа работает в режиме обогащения и имеет следующие параметры: ширина и длина затвора Z = W = 50 мкм; длина канала L = 5 мкм; толщина слоя окисла xок = 0,1 мкм; пороговое напряжение Uпор = –1 В; εок = 4; μp = 190 см2 В с–1.
1.Вычислите ток Iс, сопротивление канала rс = 1/gс и крутизну S, если прибор работает
влинейном режиме при напряжениях Uз = 3 В и Uс = –0,1 В.
2.Определите значения Iс нас и Sнас, считая, что транзистор работает при напряжениях Uз = –4 В и
Uс = –5 В.
Р е ш е н и е.
1. Ток стока определяется по формуле
I = Z |
μ |
C |
(U |
− U |
)U |
− 1U2 |
|
= |
|||
с |
L |
p |
0 |
|
з |
пер |
с |
2 |
с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
=10 190 3,54 10–8
[(–371) (–0,1) – 0,5 0,01] = 13,12 мкА;
|
|
= |
Z |
μ |
|
− U |
− U |
|
= |
|
g |
с |
C |
U |
|
||||||
|
|
L |
|
p 0 |
з |
пер |
с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 10 190 3,54 10 |
–8 | –3 – (–0,1)| = 1,28 10–4 см; |
|||||||||
rс = 1/gс = 7,875 КОм;
S = ZL μ pC0 Uс =
= 10 190 3,54 10−8 0,1 = 6,73 мкА/В.
Ф И З И Ч Е С К И Е О С Н О В Ы РА Б О Т Ы П О Л У П Р О В О Д Н И К О В Ы Х П Р И Б О Р О В |
375 |
QB = (2εапqNd2|2UF|)1/2 =
=(2 12 8,85 10–14 1,6 10–19 3 1015 2 0,64)1/2 =
=2,55 10–8 Кл/см2;
U = Φ |
мп |
− |
Qn |
+ U − |
QB |
= |
|
|
|
|
|
||||||
пор |
|
εа ок |
S |
|
C0 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
= −0,27 5 1011 1,6 10−19 − 0,64 3,61 10−8 |
= −5 В. |
|||||||
2,84 10−8 |
|
|
|
2,84 10−8 |
|
|||
Задача 3.44. Полевой транзистор с p-n- переходом имеет вольт-амперные характеристики, показанные на рисунке 3.95. Определить тип канала и основные характеристики этого транзистора.
а |
б |
Рис. 3.95
Вольт-амперные характеристики полевого транзистора
Р е ш е н и е.
1. Полевой транзистор с управляющим p-n- переходом имеет канал n-типа, так как ток стока управляется отрицательным напряжением Uзи, приложенным к затвору (минус — к области затвора p-типа, плюс — к каналу n-типа). Канал перекрывается полностью (Iс = 0) при напряжении Uзи = –1,75 В. Это напряжение отсечки Uотс. При Uзи = 0 и Uси > –1,75 В (участок насыщения II) в транзисторе течет максимальный ток стока Iс нас = 8,2 мА.
Ф И З И Ч Е С К И Е О С Н О В Ы РА Б О Т Ы П О Л У П Р О В О Д Н И К О В Ы Х П Р И Б О Р О В |
377 |
тем больше Rси. Эта зависимость выражается отношением
Rси = R0/[1 – (Uзи – Uотс)1/2].
Отсюда находим
Uзи = Uотс(1 – R0/ Rси)2 = –1,75(1 – 1/2)2 ≈ –0,44 В.
Задача 3.46. Чему равна крутизна транзистора, рассмотренного в задаче 3.44, при Uзи = –1 В?
Р е ш е н и е. С ростом |Uзи| крутизна стокозатворной характеристики уменьшается (см. рис. 3.95б). Зависимость крутизны от Uзи на участке насыщения может быть записана следующим образом:
S = (1 − Uзи / Uотс )/ R0.
Подставляя, полученные в задаче 3.44, значения R0 = 100 Ом и Uотс = –1,75 В, вычисляем
S = 1/100(1 − 1/1,75) ≈ 2,5 мА/В.
Проверьте этот результат, построив треугольник приращений на стоко-затворной характеристике (см. рис. 3.95б) для Uзи = –1 В.
Задача 3.47. Полевой транзистор суправляющим p-n-переходом имеет Iс max =5 мА и Uотс =–2 В. Определить ток стока Iс и крутизну S транзистора при напряжениях затвора, равных: 1) –2 В; 2) 0; 3) –1 В.
Р е ш е н и е.
1. Ток стока найдем из выражения
Iс = Iс max (1 – |Uзи|/Uотс)2.
При различных значениях Uзи получаем: а) при Uзи = –2 В
Iс = 5 10–3 (1 – 2/2)2 = 0;
Ф И З И Ч Е С К И Е О С Н О В Ы РА Б О Т Ы П О Л У П Р О В О Д Н И К О В Ы Х П Р И Б О Р О В |
379 |
11.Как зависит внутреннее сопротивление МДПтранзистора в пологой области от тока стока?
12.Как соотносятся крутизны по затвору и подложке?
13.Чему соответствует критический ток МДПтранзистора?
14.В чем состоит причина нестабильности параметров МДП-транзистора?
15.Как связана постоянная времени крутизны с длиной канала МДП-транзистора?
16.Дайте определение напряжения отсечки полевого транзистора.
17.Как соотносятся входные сопротивления МДП- и полевого транзистора?
18.Как изменяется длина канала полевого транзистора в пологой области при увеличении напряжения на стоке?
19.Сравните быстродействие МДП- и полевых транзисторов?
20.Сравните уровень шумов МДП- и полевых транзисторов?
21.Каков порядок величины сопротивлений пассивных областей полевого транзистора?
3.6. ТИРИСТОРЫ
3.6.1.Структура, свойства и характеристики тиристоров
Тиристорами называются полупроводниковые приборы с тремя (и более) p-n-переходами, предназначенными для использования в качестве электронных ключей в схемах переключения электрических токов.
В зависимости от конструктивных особенностей и свойств тиристоры делят на диодные (динисторы) и триодные (тиристоры).
Динисторы подразделяют на: запираемые в обратном направлении; проводящие в обратном направлении; симметричные.