Влияние барьерной емкости эмиттерного перехода

Барьерная емкость эмиттерного перехода обусловлена изменениями ширины перехода, т.е. перемещением основных носителей. Ток перезаряда этой емкости не имеет отношения к инжекции и не входит в состав коллекторного тока. Следовательно, та часть тока эмиттера, которая ответвляется в барьерную емкость (рис. 2.2,а), приводит к замедлению нарастания коэффициента инжекции. Это дополнительно (вместе с функцией ) затягивает переходный процесс в транзисторе. Постоянную времени эмиттерного перехода называют также постоянной времени инжекции.

Если = 25 Ом и =1 пФ, то = 0,025 нс, т.е. обычно _бэ << t_пр и постоянную времени можно не учитывать или учитывать в виде дополнительной задержки. Однако с уменьшением тока сопротивление растет и величина становится сравнимой с t_пр. Поэтому в микротоковом режиме работы транзистора влияние инерционности эмиттерного перехода сводится к увеличению постоянной времени

_  _бэ + t_пр.

2.4. Полевые транзисторы. Характеристики и эквивалентная схема

Работа полевых (униполярных) транзисторов основана на использовании основных носителей одного типа (электронов или дырок). Носители движутся за счет дрейфа в электрическом поле. Процессы инжекции и диффузии, присущие биполярным транзисторам, здесь практически отсутствуют. Управление током в полевых транзисторах (ПТ) осуществляется электрическим полем путем изменения удельной проводимости соответствующего слоя (канала) или его площади.

Полевые транзисторы структуры металл-диэлектрик-полупровод-ник (МДП) имеют приповерхностный канал либо встроенный, либо индуцированный (рис. 2.7). В первом случае обогащенный слой формируется за счет донорных примесей в диэлектрике, во втором – под действием электрического поля образуется инверсионный слой. В МОП-транзисторах в качестве диэлектрика используется окисел (дву-окись кремния). Условное обозначение МДП-транзисторов со встроенным каналом p-типа показано на рис. 2.8,a, с индуцированным каналом n-типа – на рис. 2.8,б. Стрелка на выводе подложки показывает условное направление движения положительно заряженных носителей (дырок) относительно носителей канала: n-канал притягивает дырки (рис. 2.8,а,б). Для транзистора с каналом р-типа направление стрелки и полярность источников питания меняются на обратные.

Наличие тонкого слоя диэлектрика под затвором снимает ограничение на полярность смещения U_зи: она может быть как положительной, так и отрицательной, так как в обоих случаях ток затвора отсутствует.

При наличии встроенного (собственного) канала его проводимость мо-дулируется смещением на затворе. В случае канала n-типа (рис. 2.7,а) отрицательный потенциал отталкивает электроны из канала (режим обеднения), а положительный – притягивает их (режим обогащения). Соответственно проводимость канала либо уменьшается, либо увеличивается по сравнению с ее значением при нулевом смещении.

Вторая структура МДП-транзисторов (рис. 2.7,б) не имеет специально устроенного канала. Поэтому при нулевом смещении на затворе проводимость между истоком и стоком отсутствует: исток и сток образуют с подложкой встречно включенные р-n переходы. Тем более не может быть проводимости между истоком и стоком при отрицательной полярности смещения, когда к поверхности полупроводника притягиваются дополнительные дырки. Лишь при достаточно большом поло-жительном смещении, когда приповерхностный слой сильно обогащается притянутыми электронами, между истоком и стоком образуется своего рода индуцированный (наведенный полем) канал, по которому может протекать ток. Простота изготовления транзисторов с индуцированным каналом привела к их широкому применению.

На рис. 2.9,а показаны вольт-амперные характеристики МДП-тран-зистора со встроенным n-каналом при нулевом напряжении Е_пи, т.е. когда вывод подложки соединен с истоком. В соответствии с семейством ВАХ транзистор закрывается при отрицательном напряжении затвор-исток: U_отс < 0. Насыщение транзистора достигается при положительном напряжении U_зи. Встроенный канал n-типа имеют, например, транзисторы КП 305.

Потенциал подложки в принципе может использоваться для управления током канала. Так положительное напряжение Е_пи будет дополнительно обеднять канал (рис. 2.7,а), уменьшая ток стока. Однако крутизна управления по подложке

обычно меньше крутизны по затвору

.

Кроме того, входное сопротивление по подложке R_{вх пи} определяется обратными токами p-n переходов и уступает входному сопротивлению по затвору в раз.

б

а

б

в

г

а

слой

стока

слой

истока

в

Рис. 2.7

Рис. 2.8

а

б

в

Рис. 2.9

МДП-транзистор с индуцированным каналом является нормально закрытым: при U_зи проводимость канала и ток стока практически отсутствуют. ВАХ такого транзистора изображена на рис. 2.9,б. В этом случае положительное напряжение отсечки может составлять доли еди-ницы вольта. Примером МДП-транзистора с индуцированным каналом является прибор КП 301.

Эквивалентная схема МДП-транзисторов для переменных составляющих с учетом влияния подложки показана на рис. 2.10,а. Сопротивление канала обозначено r_си, усилительные свойства транзистора отображены источниками тока с учетом крутизны по затвору S и по под-ложке S_п. Сопротивления r_зс и r_зи намного больше, чем r_пи и r_пс, что объясняется наличием диэлектрика между затвором и каналом. Поэтому элементы r_зс, r_зи можно не учитывать. Межэлектродные емкости С_зс, С_зи обусловлены частичным перекрытием металлического электрода затвора с областями истока и стока в реальных структурах. Как правило, емкости С_зс, С_зи меньше барьерных областей истокового и стокового переходов С_пи, С_пс. Очевидно, что емкость С_зс является элементом внутренней обратной связи и ее желательно минимизировать. Емкость между слоями истока и стока для МДП-транзистора давольно мала, и ею можно пренебречь. Для маломощных МДП-транзисторов обратные сопротивления переходов r_пи, r_пс составляют 10¹⁰10¹¹ Ом.

Емкости С_пи, С_пс определяются площадями истока и стока и имеют значение 0,10,5 пФ. Крутизна S обычно составляет 15 мА/B.

Увеличить усиление можно было бы, соединив подложку с затвором, когда результирующая крутизна равна S_п + S. Однако в этом случае резко снижается входное сопротивление транзистора.

Чаще всего на практике электрод подложки находится либо внутри корпуса транзистора, либо не используется в схеме устройства. При этом эквивалентная схема с учетом вышесказанного упрощается, как показано на рис. 2.10,б.

Полевые транзисторы второго вида используют объемный канал, представлявщий собой участок однородного полупроводника, отделенный от поверхности обедненным слоем. Обедненный слой создается с помощью p-n перехода (рис. 2.7,в). Роль затвора выполняет металлический контакт вместе со слоем хотя последний необязателен и отсутствует в транзисторах с барьером Шоттки (с контактом металл– полупроводник).

а

б

Рис. 2.10

Прямое смещение p-n-перехода не используется, так как транзистор перестанет быть униполярным – начнется инжекция неосновных носителей. Обратное напряжение смещения на затворе определяет глубину обедненного слоя L (рис. 2.7,в). Чем глубже обедненный слой, тем меньше толщина канала  и соответственно больше сопротивление канала. Таким образом, полевой транзистор с p-n-переходом в качестве затвора является нормально открытым прибором при нулевом напря- жении смещения. Ток стока уменьшается с увеличением (по модулю) обратного напряжения U_зи и при напряжении отсечки

В

полевой транзистор оказывается в закрытом состоянии. Для практической реализации приемлемого значения толщина рабочего слоя и концентрация примеси в нем должны быть достаточно малы. При нулевом напряжении на затворе относительно истока сопротивление канала r_си составляет сотни Ом, а при сопротивле- ние r_си возрастает до 1,52 кОм.

С учетом сказанного, семейство строковых ВАХ полевых транзисторов с объемным каналом (рис. 2.9,в) имеет сходство с аналогичным семейством для МДП-транзисторов со встроенным каналом (рис. 2.9,а), однако первые работают только при одной (обратной) полярности напряжения на затворе в режиме обеднения канала. Передаточные характеристики поэтому расположены только в области U_зи  0 (рис. 2.9,в).

Важнейшим преимуществом полевых транзисторов с p-n-перехо-дом является очень малый уровень собственных шумов, включая диапазон низких частот. Это обусловлено отсутствием инжекции соответствующих флуктуаций тока. Кроме того, канал граничит с обедненным слоем, т.е. отсутствуют поверхностные дефекты и загрязнения – причина шумов МДП-транзистора. Тепловые же шумы, обусловленные сопротивлением канала r_си, составляют, например, 520 нВ на частоте 10 Гц в полосе 1 Гц при крутизне 35 мА/В. Входное сопротивление, определяемое током термогенерации обратно смещенного перехода, достигает величин 10⁹10¹⁰ Ом, что сравнимо с входным сопротивлением электронных ламп. Типичными представителями указанных ПТ являются приборы КП303, КП307.

Эквивалентная схема ПТ с объемным каналом, как и электронной лампы, может быть упрощена до схемы рис.2.10,б, где емкость С_пи следует заменить емкостью С_си (для лампы – соответственно С_ак).

Инерционность полевых транзисторов отражается как емкостями эквивалентной схемы, так и зависимостью комплексной крутизны от частоты

,

где – постоянная времени крутизны, равная произведению средних значений сопротивления канала и емкости затвор-канал (сечения канала и обедненного слоя на разных участках различны).

76