Униполярные транзисторы. Тема 6

Тема 6

2. Краткие теоретические сведения. Униполярные транзисторы.

У полевых транзисторов с изолированным затвором последний представляет собой металлический слой, изолированный от полупроводника тонкой диэлектрической пленкой. Наличие диэлектрика снимает ограничение на полярность смещения: она может быть как положительной, так и отрицательной, причем в обоих случаях ток затвора отсутствует. Структура таких транзисторов (металл — диэлектрик — полупроводник), как уже отмечалось, лежит в основе их названия: МДП транзисторы. В том весьма распространенном случае, когда диэлектриком является окисел (двуокись кремния), их называют МОП транзисторами (по-английски MOS).

Рис. 1. Структуры МДП транзисторов с собственным (а) и индуцированным (б) каналами.

Две основные структуры МДП транзисторов показаны на рис. 1. Первая из них (рис. 1,а) характерна наличием специально осуществленного (собственного или встроенного) канала, проводимость которого модулируется смещением на затворе. В случае канала р-типа положительный потенциал U_З «отталкивает» дырки из канала (режим обеднения), а отрицательный — «притягивает» их (режим обогащения). Соответственно проводимость канала либо уменьшается, либо увеличивается по сравнению с ее значением при нулевом смещении. Вторая структура (рис. 1,б) характерна отсутствием структурно выраженного канала. Поэтому при нулевом смещении на затворе проводимость между истоком и стоком практически отсутствует: исток и сток образуют с подложкой встречно-включенные р-п переходы. Тем более не может быть существенной проводимости между истоком и стоком при положительной полярности смещения, когда к поверхности полупроводника притягиваются дополнительные электроны. Однако при достаточно большом отрицательном смещении, когда приповерхностный слой сильно обогащается притянутыми дырками, между истоком и стоком образуется индуцированный (наведенный полем) канал, по которому может протекать ток. Значит, транзисторы с индуцированным каналом работают только в режиме обогащения. В настоящее время этот тип транзисторов имеет наибольшее распространение.

Характеристики и параметры. Рассмотрим самую простую аппроксимацию вольт-амперной характеристики, которой удобно пользоваться при инженерных расчетах:

, (1)

где удельная крутизна транзистора рассчитывается по формуле:

, (2)

L,W - длина и ширина канала, соответственно, d, ₀_D - толщина и диэлектрическая проницаемость подзатворного диэлектрика,  - подвижность носителей заряда.

Такая аппроксимация всегда действительна при малых стоковых напряжениях. При больших стоковых напряжениях аппроксимация (1) действительна лишь в случае достаточно тонких слоев диэлектрика и высокоомных подложек с малой концентрацией примеси.

Из выражения (1) легко найти напряжение насыщения, полагая dI_С/dV_СИ=0:

V_СН=V_ЗИ-Vto. (3)

Значение тока I_С(V_СН) сохраняется при всех значениях V_СИ> V_СН. Поэтому, подставляя (3) в (1), получаем вольт-амперную характеристику МДП транзистора в режиме насыщения:

, (4)

В усилительной технике МДП транзисторы всегда используются в режиме насыщения, поскольку ему свойственны наименьшие нелинейные искажения и оптимальные значения дифференциальных параметров: крутизны S=dI_С/dV_ЗИ внутреннего сопротивления R_i=V_СИ/ I_С и собственного коэффициента усиления =V_СИ/V_ЗИ Эти параметры связаны между собой «ламповым» соотношением:

=S R_i (5)

(черточка под  призвана отличить данный параметр от подвижности).

Крутизна в режиме насыщения легко определяется из выражения (3):

S=kp(V_ЗИ-Vto). (6)

Как видим, крутизна линейно зависит от эффективного напряжения на затворе V_ЗИ‑Vto, а при заданном эффективном напряжении пропорциональна параметру kp. Название последнего (удельная крутизна) обусловлено тем, что при V_ЗИ‑Vto=1 В величина kp численно равна крутизне в режиме насыщения. Вообще же параметр kp является производной  ²I_С/V_ЗИV_СИ т. е. характеризует кривизну функции I_С(V_ЗИ,V_СИ). Крутизна МДП транзистора однозначно связана с током. Эту связь легко установить с помощью выражений (4) и (6):

. (7)

Из выражения (6) ясно, что крутизна МДП транзистора возрастает с уменьшением толщины диэлектрика d, а также с увеличением ширины канала W. Однако оба эти фактора одновременно способствуют увеличению емкости между затвором н каналом, которая описывается выражением

. (8)

В отличие от крутизны внутреннее сопротивление и коэффициент усиления МДП транзистора не могут быть определены из выражения (4), поскольку оно не содержит напряжения V_СИ. Согласно (4) характеристики в режиме насыщения должны быть горизонтальными (R_i=, =).

Рис. 2 рабочие точки МДП транзистора в ключевом режиме.

Разумеется, в области достаточно больших напряжений V_СИ наступают предпробойные явления, а затем и пробой, сопровождающийся резким возрастанием тока I_С и столь же резким уменьшением сопротивления R_i. Заметим, что пробой может иметь место не только в стоковом р-п переходе, но также и в диэлектрике (между стоком и затвором).

В импульсных схемах МДП транзистор работает в качестве ключа и основной интерес представляют две крайние рабочие точки, соответствующие запертому и максимально открытому состоянию ключа (рис. 2).

Запертое состояние (точка 1) характеризуется условием V_ЗИ<<Vto. При этом в цепи стока протекает лишь некоторый остаточный ток, обусловленный утечками по поверхности, а также обратным током р-п перехода стока (если подложка находится под нулевым или положительным потенциалом). В качественных МОП транзисторах этот ток не превышает нескольких наноампер.

Максимально открытое состояние ключа (точка 2) характерно большими значениями V_ЗИ‑Vto и расположением рабочей точки на крутом участке соответствующей вольт-амперной кривой. Обычно в открытом состоянии ток I_С оказывается заданным внешней цепью, а интерес представляет остаточное напряжение V_СИ0. Это напряжение легко определить из формулы (1), однако в общем виде выражение получается громоздким. На практике остаточное напряжение настолько мало, что в формуле (1) можно пренебречь членом (1/2)V_СИ². Тогда:

V_СИ0=I_С/(kp(V_ЗИ‑Vto)). (9)

Выражение (8) действительно при условии V_ЗИ‑Vto>(2-3) V_СИ0. Еще одним параметром, важным для характеристики открытого ключа, является сопротивление на начальном участке кривой I_С(V_СИ). Дифференцируя (1) по V_СИ, получаем дифференциальное выходное сопротивление транзистора в ненасыщенном режиме:

R_i= I_С/(kp(V_ЗИ‑Vto‑ V_СИ)). (10)

Если положить V_СИ<< V_ЗИ‑Vto, получим искомое сопротивление открытого ключа:

R₀=I_С/(kp(V_ЗИ‑Vto)). (11)

Это же выражение можно получить непосредственно из формулы (9). Поскольку при малых значениях V_СИ сечение дырочного слоя и концентрация дырок в нем почти не зависят от х, величину R₀ обычно называют сопротивлением канала.

Из (9) и (11) очевидно, что остаточное напряжение на МДП транзисторном ключе имеет чисто «омическое» происхождение:

V_СИ0=I_СR₀

Это обстоятельство является важным преимуществом МДП транзисторов, так как в случае биполярных транзисторов даже при нулевом токе имеется вполне конечное остаточное напряжение.

Рис. 3. Снятие входных вольт-амперных характеристик транзистора.