Шпоры / Шпоры(insomnia&co_edition) / 31+33+35+

31. Полевые транзисторы

Принцип работы. Принцип работы полевых транзисто­ров основан на модуляции площади поперечного сечения, а след-но, и сопротивления проводящего канала в объ­еме полупр-ка под воздействием эффекта поля.

Полевые транзисторы явл-ся униполярными приборами. Структура полевого транзистора с р-п-переходом в качестве затвора схематически показана на рис. 3.39. В качестве затвора в полевых транзисторах мо­жет , использоваться также непосредственный контакт металла с полупроводником. Транзисто­ры с таким затвором наз-ся полевыми транзисторами с барьером Шотки. Поскольку зависимость толщины обедненного слоя резкого р⁺-n-перехода и высоты барьера Шот­ки [см. (2.66) и (3.5)],

2.66

а также основные свойства обоих типов полевых транзисторов одинаковы, ниже рассматрива­ются только полевые транзисторы с р⁺-п-переходом в каче­стве затвора.

Полевой транзистор состоит из n- или р-полупроводника с двумя омическими контактами — истоком и стоком и р⁺- или n⁺-областей, выполняющих функции затворов (рис. 3.39).

Выходным (управляемым) током является ток сто­ка I,, входным (управляющим) током — ток затвора /₃, который для обратносмещенных кремниевых переходов небольшой площади составляет 10^-11 А и менее. На р⁺-п-переход затвора подается обратное напряжение. Толщина d обедненного слоя будет изменяться в соответствии с выра­жением (2.66). Так как переход резкий, то практически весь обедненный слой толщиной d будет располагаться в n-области. С повышением обратного напряжения на затворе будет увеличиваться толщина d обедненных слоев переходов и соответственно уменьшаться толщина h кана­ла (рис. 3.39). Таким образом, при изменении обратного напряжения на затворе будет изменяться площадь попереч­ного сечения канала, а следовательно, и его сопротивление. Поэтому полевой транзистор представляет собой резистор, управляемый напряжением на затворе. С приложением к стоку положительного по отношению к истоку напряжения будет изменяться ток канала, т. е. выходной ток транзисто­ра. Усиление по мощности в полевых транзисторах реализу­ется за счет малого значения входного тока.

Статические характеристики и параметры.

Рис 3.40. Статические харак-ки полевого транзистора. А)выходные, Б) передаточные

На рис. 3.40, а, б приведены выходные и передаточные характеристики полевого транзистора. С приложением к стоку положительного относительно истока напряжения по каналу будет проходить ток и обратное напряжение на пере­ходе будет изменяться вдоль оси х, возрастая в направлении к стоку. Поэтому толщина обедненного слоя будет увели­чиваться по сравнению с равновесным значением (рис. 3.41, а), а толщина канала — уменьшаться в направлении к стоку и при достаточно большом напряже­нии U_си, произойдет отсечка канала (рис. 3.41, в).В общем случае отсечка канала происходит за счет воз­растания до значения | -U_з.от.|:

напряжения |-U_зи| при U_си=0 (рис. 3.41, б);

напряжения U_си при U_зи =0 (рис. 3.41, в);

суммы напряжений |-U_зи+U_си (рис. 3.41, г), т. е. {–U_з.от| = |-U_зи| + U_си. (3.20)

В результате отсечки канала и образования «горловины» происходит насыщение тока стока подобно тому, как в МДП-транзисторах. В дальней­шем, когда [-U_щи]+U_си>[-U_з.от] «горловина» сме­щается в направлении к истоку, а длина канала уменьшает­ся. Из выражения (3.20) можно определить напряжение на­сыщения:

| -U_сн |=U_си|=[-U_p/jn]-[U_зи]. Семейства выходных характеристик полевых и MДП-транзисторов во многом аналогичны (ср. рис. 3.40, а и 3.36, а). Передаточные характеристики отличаются

33. ВАХ МДП-транзистора

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) МДП - транзистора представляет собой зависимость тока стока I_С от рабочих напряжений затвор-исток U_ЗИ, сток-исток U_СИ, подложка-исток Uпи. В зависимости от параметра в семействе ВАЗ различают: выходные характеристики:

I_С= I_С(U_СИ) при параметрах U_ЗИ, U_ПИ;

Передаточные характеристики:

I_С= I_С(U_ЗИ) при параметрах U_СИ, U_ПИ;

Рассмотрим в качестве примера ВАХ p-канального МДП - транзистора при напряжении U_ПИ = 0 (рис. 4).

При передаче на затвор отрицательного напряжения U_ЗИ >U₀ ток стока I_С вначале увеличивается с ростом отриц. напряжения U_СИ на стоке. Это так называемая крутая область ВАХ (рис. 4а). Для крутой области ВАХ характерно наличие канала под всеми точками затвора. При этом если увеличить напряжение на затворе, то концентрация основных носителей в канале и его проводимость увеличиваются, след-но увеличивается ток стока и характеристики идут круче.

Однако при дальнейшем увел-ии напряжения U_СИ рост тока I_С замедляется, а при некотором напряжении |U_СИН |=|U_ЗИ- U₀| почти прекращается. Это напряжение U_СИН называется напряжением насыщения, а область ВАХ, для которой выполняется условие |U_СИ|>|U_СИН|, - пологой областью ВАХ.

Физической причиной насыщения тока стока является перекрытие канала вблизи его стокового конца. Это происходит потому, что с увеличением напряжения на стоке снижается разность потенциалов U_ЗИ – U_СИ, уменьшается электрическое поле E_X и его величина оказывается недостаточной, чтобы обеспечить режим сильной инверсии. В результате вблизи стока концентрация дырок в канале резко уменьшается, канал исчезает (перекрывается), и в области перекрытия устанавливается режим обеднения. Сопротивление этого участка канала ∆L становится очень большим. Поэтому при дальнейшем приращении напряжение на стоке оно падает в основном на участке перекрытия, а на оставшейся неперекрытой части канала напряжение по-прежнему остается равным U_СИ: U_СИ = U_СИ + ∆U_СИ

поскольку участок перекрытия канала ∆L << L - длины канала, то длина неперекрытого канала и его сопротивление, а следовательно, и ток стока мало меняются при увеличении напряжения на стоке.

Описанное явление модуляции длины канала, подобно эффекту Эрли в биполярных

35. Эквивалентная схема и быстродействие МДП‑транзистора

Исходя из общефизических соображений, МДП‑транзистор можно изобразить в виде эквивалентной схемы, представленной на рисунке 6.8. Здесь R_вх обусловлено сопротивлением подзатворного диэлектрика, входная емкость С_вх – емкостью подзатворного диэлектрика и емкостью перекрытия затвор-исток. Паразитная емкость С_пар обусловлена емкостью перекрытий затвор-сток. Выходное сопротивление R_вых равно сопротивлению канала транзистора и сопротивлению легированных областей истока и стока. Выходная емкость С_вых определяется емкостью р‑n перехода стока. Генератор тока передает эффект усиления в МДП-транзисторе.

Определим быстродействие МДП‑транзистора исходя из следующих соображений. Пусть на затвор МДП‑транзистора, работающего в области отсечки, так что , подано малое переменное напряжение .

Тогда за счет усиления в стоковой цепи потечет ток , равный: (6.27)

Одновременно в канал с электрода затвора потечет паразитный ток смещения через геометрическую емкость затвора, равный:

.(6.28)

С ростом частоты выходного сигнала f паразитный ток будет возрастать и может сравниваться с током канала за счет эффекта усиления. Определим граничную частоту работы МДП‑транзистора f = f_макс, когда эти токи будут равны. Получаем с учетом (6.22):

.(6.29)

Поскольку напряжение исток-сток V_DS порядка напряжения V_GS – V_T, то, используя определение дрейфовой скорости

,(6.30)

можно видеть, что предельная частота усиления f_макс определяется временем пролета τ электронов через канал транзистора:

.(6.31)

Оценим быстродействие транзистора.

Пусть , длина канала L = 10мкм = 10^-3 см, напряжение питания V_пит = 10 В. Подставляя эти значения в (6.29), получаем, что максимальная частота для МДП‑транзистора составляет величину порядка f_макс  1 ГГц. Заметим, что собственное быстродействие транзистора обратно пропорционально квадрату длины инверсионного канала. Поэтому для повышения быстродействия необходимо переходить на субмикронные длины канала.

транзисторах, и определяет конечный наклон характеристик в пологой области.

Через область перекрытия канала носителя пролетают за счет сильного электрического поля E_Y в этой области. Это явление подобного прохождению носителей через область пространственного заряда

(ОПЗ) коллекторного p-n перехода биполярного транзистора.

Аналитические выражения для ВАХ МДП-транзистора с длиной канала более 5мкм, используемые в инженерных расчетах, имеют вид:

В крутой области

В пологой области

где - удельная крутизна транзистора, а [мю] - средняя подвижность дырок в канале (примерно в два раза меньше объемной подвижности).

Влияние подложки. Проводимостью канала, а следовательно, и током стока можно управлять также напряжением смещения подложки. При работе транзистора между каналом и объемом подложки образуется p-n переход. С изменением смещения на подложке изменяется ширина p-n перехода, что приводит к расширению или сужению канала и к изменению тока стока. Таким образом, подложка действует подобно затвору. При фиксированных напряжениях на остальных электродах повышение обратного смещения, приложенного к подложке, приводит к уменьшению тока стока.

Формула (1), определяющая пороговое напряжение, получена при U_ПИ =0. Подача обратного смещения на подложку приводит к расширению ОПЗ p-n перехода канал – подложка и увеличению заряда в обедненной области: (2)

Пороговое напряжение при этом также возрастает, поскольку обогащение канала основными носителями происходит только после накопления на затворе заряда, необходимого для компенсации заряда в обедненной области.

Используя выражения (1) и (2), при увеличении можно получить связь порогового напряжения с напряжением на подложке в виде

(3) , где

коэффициент влияния подложки.

На практике выражением (3) пользуются и при значительных напряжениях на подложке. Смещение на подложке влияет также и на величину напряжения насыщения тока стока U_СИ. С увеличением обратного смещения U_ПИ это напряжение уменьшается по абсолютной величине. Это происходит по двум причинам: во-первых, уменьшается концентрация носителей в канале, во-вторых, канал сужается (так как расширяется обедненный слой). Оба фактора способствуют уменьшению напряжения на стоке, при котором происходит перекрытие канала.

С учетом влияния подложки ВАХ МДП-транзистора можно записать в виде:

В крутой области:

(4)

В пологой области:

(5)

Величина порогового напряжения в этих формулах определяется выражением (3).

прежде всего тем, что у полевых тран­зисторов выходной ток проходит при нулевом напряжении на затворе и напряжение на затворе может иметь только од­ну полярность — в данном случае отрицательную. При по­ложительной полярности на затворе он будет инжектировать в область канала неосновные носители заряда и полевой транзистор будет работать как биполярный в режиме двой­ной инжекции.

Важнейшими особенностями полевых транзисторов яв­ляются малый уровень собственных шумов и стабильность параметров во времени. Это объясняется тем, что выходной ток в полевом транзисторе протекает в объеме монокристал­ла, в котором отсутствуют поверхностные дефекты кристал­лической структуры, вызывающие у МДП-транзисторов шумовые флуктуации тока, нестабильность параметров и •снижение подвижности носителей заряда. В силу своей структуры и принципа работы полевые транзисторы защищены от прегрузок по току значительно лучше, чем биполярные и МДП-транзисторы. Поскольку полевые транзисторы являются униполярными приборами, они не чувствительны к дефектам накопления неосновных носителей заряда, поэтому в принципе имеют высокиег раничные частоты и скорости переключения.