Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроника и схемотехника. Учебное пособие для СПО
.pdf
71
где
ЗИотс
U
— управляющее напряжение, при котором
0
С
I =
(ре-
жим отсечки), а
ЗИ
U
— управляющее напряжение, соответству-
ющее рассматриваемой ВАХ транзистора.
При дальнейшем возрастании выходного напряжения ток
С
I
остается неизменным вплоть до пробивного напряжения
СИпроб
U
. Физику происходящих при этом процессов в полевом
транзисторе можно объяснить следующим образом. Как уже
отмечалось, при входном напряжении
ЗИ ЗИотс
UU=
, соответ-
ствующем обратному напряжению на p-n-переходе (затвор —
исток), при котором токопроводящий канал транзистора будет
полностью перекрыт, выходной ток
С
I
транзистора будет равен
нулю. При
ЗИ ЗИотс
UU
в токопроводящем канале появляется
проток шириной
b
и по нему от стока к истоку начинает проте-
кать ток
С
I
, создающий на сопротивлении канала падение
напряжения. Это напряжение, складываясь с напряжением
ЗИ
U
,
по мере приближения к стоку приводит к увеличению напряжения на обратно смещенном p-n-переходе, то есть к сужению ка-
нала при приближении к истоку. Рост тока
С
I
приводит к уве-
личению падения напряжения на канале и к уменьшению его
ширины, в результате уменьшается ток
С
I
, протекающий между
стоком и истоком. Однако уменьшение тока стока приводит к
уменьшению падения напряжения на канале и к уменьшению
фактического напряжения на обратно смещённом p-n-переходе,
что увеличивает ширину
b
канала, а, следовательно, и ток
С
I
.
В результате, в структуре полевого транзистора устанавливается
динамическое равновесие и при
СИ СИнас
UU
ток стока поддер-
живается на уровне насыщения.
Приведем уравнения, которыми описываются вольтамперные характеристики полевого транзистора с управляющим
р-п-переходом.
72
Режим отсечки:
,
ЗИ ЗИотс
UU
0.
С
I =
(5.1)
Линейный режим (область 1, рис. 5.2, а):
,0,
ЗИотс СИ ЗИ
ЗИ
ЗИотс
U U U U U −
2
),[2( ) ] (1
T ЗИ ЗИ ОТС СИ
СИ СИm
UI U U U U
= − − +
(5.2)
где
2
[]
Т
А
В
— коэффициент удельной проводимости,
m
— па-
раметр модуляции длины канала.
Режим насыщения (область 2, рис. 6.2, а):
,0,
ЗИотс СИ ЗИ
ЗИ
ЗИотс
U U U U U −
2
)( ) (1 .
T ЗИ ЗИОТС
СИm
UI U U
= − +
(5.3)
Из выражения (5.3) можно получить крутизну проходной
характеристики:
)(12 ( ) .
СИ
C
Т ЗИ ПОР
ЗИ
m
U
dI
S U U
dU
+= = −
(5.4)
Полевые транзисторы с изолированным затвором
Полевой транзистор с изолированным затвором (ПТИЗ) —
это полевой транзистор, имеющий один или несколько затворов,
электрически изолированных от проводящего канала. Приповерхностный канал представляет собой либо обогащенный слой,
образующийся за счет донорных примесей в полупроводнике,
либо инверсный слой, возникающий под действием внешнего
поля.
Структуры ПТИЗ показаны на рис. 5.3.
73
а)
б)
Рис. 5.3. Полевой транзистор с изолированным затвором:
а — с индуцированным n-каналом;
б — с встроенным n-каналом
В полупроводнике p-типа, например, с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подлож-
кой, созданы две высоколегированные области с n-типом прово-
димости. На них нанесены металлизированные электроды исто-
ка и стока. Поверхность кристалла между истоком и стоком
покрыта тонким (0,1 мкм) слоем диэлектрика, поверх которого нанесен металлический электрод — затвор. Таким образом,
получается МДП-структура: металл — диэлектрик — полупроводник. Транзистор, построенный на основе МДП-структуры,
называют МДП-транзистором.
И З С
SiO
n+ n
+
p
n
n
И З С
n+ n
+
p
n
74
Исходным материалом для ПТИЗ является кремний. В качестве диэлектрика под затвором у них используется диоксид кремния
2
SiO
, полученный путем высокотемпературного окисления.
Такую структуру в области затвора называют МОП-структурой:
металл — оксид — полупроводник. ПТИЗ, построенные на основе
МОП-структуры, называют МОП-транзисторами.
Различают две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.
В МДП-транзисторах с индуцированным каналом
(рис. 5.3, а) проводящий канал между истоком и стоком появляется только при определенных полярности и величине напряже-
ния на затворе
ЗИ ПОР
UU=
, которое называют пороговым
напряжением.
В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 5.3, б)
у поверхности полупроводника под затвором существует слой
с типом проводимости, инверсным к проводимости подложки,
называемый каналом. Он существует и при
0=
ЗИ
U
, соединяет
области истока и стока.
МДП-транзисторы могут быть созданы как на подложке с
n-типом проводимости, так и на подложке с проводимостью
p-типа. При этом сильно легированные области истока и стока, а
также встроенный или индуцированный каналы будут иметь инверсную к подложке проводимость. Полярность подаваемых на
электроды напряжений при этом также изменится на обратную.
МДП-транзисторы
с индуцированным каналом
Из рис. 5.3 видно, что области истока и стока образуют
p-n-переходы с областью подложки, поэтому область подложки
отделена от этих областей диодной изоляцией. Чтобы при работе транзистора ток не замыкался через подложку, потенциал на
ней, особенно относительно истока, должен быть запирающим.
Поэтому у МДП-транзисторов имеется дополнительный вывод
подложки, который соединяется либо с истоком накоротко, либо подключается к точке схемы, потенциал которой выше потенциала истока.
75
При условиях
0
ЗИ
U =
и
0
СИ
U
ток стока будет пред-
ставлять собой обратный ток запертого p–n -перехода между
подложкой и стоком, то есть будет ничтожно мал. При отрица-
тельном напряжении
ЗИ ПОР
UU
на затворе относительно ис-
тока под воздействием электрического поля у поверхности полупроводника под затвором возникает обедненный основными
носителями заряда слой. Свободные электроны вытесняются
полем вглубь подложки, но притоку дырок в поверхностный
слой препятствует положительный объемный заряд ионизиро-
ванных атомов примеси. При
ЗИ ПОР
UU
дырки, неосновные
носители в подложке, уже могут преодолеть противодействие
объемного положительного заряда и заполняют поверхностный
слой, формируя тем самым проводящий канал между истоком и
стоком. Изменения напряжения на затворе изменяют концентрацию носителей заряда в канале и толщину проводящего канала, то есть изменяется его сопротивление. При изменении сопротивления канала изменяется и ток стока. Так происходит
управление током стока.
Так как затвор изолирован от подложки диэлектриком, ток
в цепи затвора ничтожно мал, мала и потребляемая от источника
сигнала мощность в цепи затвора и необходимая для управления
достаточно большим током стока. МДП-транзисторы с индуцированным каналом могут усиливать электрические сигналы по
напряжению и по мощности.
На рис. 5.4 приведены статические вольт-амперные характеристики МДП-транзисторов с индуцированным n-каналом.
Нелинейность ВАХ в линейной области насыщения объясняется уменьшением толщины канала по мере приближения к
стоку. По мере увеличения напряжения на стоке
СИ
U
и неизмен-
ном напряжении того же знака на затворе
ЗИ
U
это сужение бу-
дет все больше, пока не произойдет перекрытия канала около
стока. Дальнейшее увеличение напряжения
СИ
U
вызовет лишь
небольшое увеличение тока стока
С
I
.
76
а) б)
Рис. 5.4. ВАХ МДП-транзисторов с индуцированным
каналом: а — выходные; б — проходная
При больших
СИ
U
может наступить пробой МДП-
транзистора, причем он может быть двух видов: пробой
p-n-перехода под стоком и пробой диэлектрика под затвором.
Пробой p-n-перехода носит лавинный характер, так как
МДП-транзисторы изготавливают на кремнии. Пробой диэлектрика под затвором может наступить при
ЗИ
U
в несколько де-
сятков вольт, поскольку толщина диэлектрика под затвором
очень мала (
0,1 мкм). Этот пробой имеет тепловой характер.
Он может возникнуть даже за счет накопления статических зарядов, поскольку входное сопротивление МДП-транзисторов
очень велико.
Проходная ВАХ начинается в точке на оси входного
напряжения, соответствующей
ЗИ ЗИ ПОР
UU=
, когда создаются
условия по формированию индуцированного проводящего канала и появляется ток стока
C
I
. При дальнейшем увеличении
входного напряжения ток стока увеличивается, демонстрируя
IC IC U
ЗИ 3>UЗИ 2
U
ЗИ 2>UЗИ 1
U
ЗИ 1 1 2 UСИ UСИ проб
U
СИ нас
U
ЗИ пор UЗИ 0
0
UСИ=const
77
наличие линейного участка. Максимальные значения
С
I
тока
ограничены явлением пробоя. С увеличением параметра характеристик
СИ
U
зависимость
)(
ЗИC
UfI =
смещается вверх.
Приведем уравнения, которыми описываются вольтамперные характеристики МДП полевого транзистора.
Режим отсечки:
,
ЗИ ЗИ ПОР
UU
0.
С
I =
(5.5)
Линейный режим:
,0,
ЗИ ПОР СИ ЗИ ЗИ ПОР
ЗИ
U U U U U −
( )
2
),
1
(1
2
C ЗИ ЗИ ПОР СИ СИ
СИm
UI s U U U U= − − +
(5.6)
где
ЗИ ПОР
U
— пороговое напряжение,
m
— параметр модуля-
ции длины канала, s — удельная крутизна:
,
2
КP W
s
L LD
=
−
(5.7)
где
W
, L — ширина и длина канала соответственно, LD — глубина области боковой диффузии, KP — параметр удельной крутизны:
,
rg
KP
a
=
(5.8)
где
— подвижность носителей заряда в канале (
2
/см В с
),
rg
— диэлектрическая проницаемость подзатворной области,
a
— толщина подзатворной области.
78
Режим насыщения:
,0,
ЗИ ПОР СИ ЗИ ЗИ ПОР
ЗИ
U U U U U −
2
).( ) (1
2
C ЗИ ЗИ ПОР
СИm
UUU
s
I
= − +
(5.9)
Из выражения (5.9) можно получить крутизну проходной
характеристики:
)(1( ) .
СИ
C
ЗИ ЗИ ПОР
ЗИ
m
U
dI
S s U U
dU
+= = −
(5.10)
Крутизна проходной характеристики
S
МДП-транзистора
пропорциональна удельной крутизне s, физическим смыслом
которой является крутизна прибора при эффективном управля-
ющем напряжении
ЭФ ЗИ ПОР
U U U=−
.
МДП-транзисторы
со встроенным каналом
Структура p-канального МДП-транзистора со встроенным
каналом показана на рис. 5.3, б. Канал между истоком и стоком
у этого типа транзисторов присутствует всегда. Он может быть
создан либо методом локальной диффузии, или методом ионной
имплантации соответствующих примесей в приповерхностный
слой подложки под затвором.
Модуляция сопротивления проводящего канала этого
транзистора может осуществляться подачей на затвор положительного или отрицательного напряжения. При подаче отрица-
тельного напряжения
ЗИ
U
электрическое поле затвора вытесняет
электроны из канала, эффективное сечение канала уменьшается,
и ток стока
C
I
тоже уменьшается. В этом случае транзистор ра-
ботает в режиме обеднения. При подаче положительного
79
напряжения
ЗИ
U
электрическое поле затвора стимулирует при-
ток электронов в канал из тела подложки, поэтому ток стока
возрастает за счет роста проводимости канала. Транзистор при
этом работает в режиме обогащения. Это отражают статические
выходные ВАХ и сток-затворные характеристики, представленные на рис. 5.5.
а) б)
Рис. 5.5. ВАХ МДП-транзисторов с встроенным
каналом: а — выходные; б — проходная
Статические сток-затворные ВАХ выходят из точки на оси
ЗИ
U
, соответствующей напряжению отсечки
ЗИ ОТС
U
, при кото-
ром МДП-транзистор работает в режиме обеднения, и при этом
ток стока достигает заданного малого значения.
Отметим главное отличие МДП-транзисторов с индуцированным и встроенным каналами. Первые могут работать только
в режиме обогащения, а вторые — как в режиме обогащения,
так и в режиме обеднения.
IC IC U
CИ UЗИ -UЗИ отс
0 0 UCИ=const
UЗИ>0 B
UЗИ=0 B
UЗИ<0 B
Режим
обогащения
Режим
обеднения
80
5.2. Температурные эффекты
Свойства полевых транзисторов слабо изменяются с изме-
нением температуры. Основными параметрами полевых транзисторов, зависящими от температуры, являются: напряжение отсечки и пороговое напряжение.
На рис. 5.6 приведены проходные характеристики полевых
транзисторов с управляющим p-n-переходом и изолированным
затвором.
Рис. 5.6. Зависимость проходных характеристик
полевого транзистора от температуры
Из приведенных характеристик следует, что для любого типа полевого транзистора существует такое значение тока стока
(соответствующее точке Н на рис. 5.6), при котором его величина не зависит от температуры.
Это объясняется действием в этом приборе двух противоположных механизмов. Так, для полевого транзистора с управляющим p-n-переходом при повышении температуры окружающей среды растет собственное сопротивление полупроводникового материала, что приводит как к непосредственному
уменьшению тока стока, так и к дополнительному подзапиранию p-n-перехода из-за наличия составляющей падения напряжения на канале. Указанные причины при увеличении темпера-
I
C
T1 T
1
T0 T0 T1>T0 T1>T
0
U
ЗИ UЗИ пор1
U
ЗИ пор2
U
ЗИ отс1
U
ЗИ отс2
ПТУП
ПТИЗ
Н
Н
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]