I. Цель работы

Изучение статических вольт-амперных характеристик и определение основных параметров полевых транзисторов с затвором в виде p-n перехода и барьера Шоттки.

II. Введение

Полевой транзистор с p-n переходом в качестве затвора выполняет функцию резистора, управляемого напряжением. Проводимость канала полевого транзистора с p-n переходом в качестве затвора определяется основными носителями, поэтому его также называют «униполярным» транзистором. Принцип действия полевого транзистора типа металл – полупроводник (МП-транзистор) идентичен принципу работы полевого транзистора с p-n переходом в качестве затвора. Разница состоит лишь в том, что в МП-транзисторе в качестве затвора использован выпрямляющий контакт металл-полупроводник (барьер Шоттки).

На рис.1 представлены схемы неуправляемого резистора (рис.1, а), полевого транзистора с p-n переходом (рис. 1,б) и МП-транзистора (рис.1,в).

Особенностью работы полевых транзисторов с p-n переходом и МП-транзисторов является то, что управление выходным током осуществляется за счет изменения геометрических размеров канала, а, следовательно, его полной проводимости.

Полевые транзисторы обладают достоинствами при их использовании в аналоговых переключателях, усилителях с высокоомным входом, СВЧ-усилителях и интегральных схемах. Они имеет более высокое входное сопротивление, чем биполярные транзисторы. Так как полевые транзисторы являются униполярными приборами, они не чувствительны к эффектам накопления неосновных носителей, и поэтому имеют более высокие граничные частоты и скорости переключения.

Полевой транзистор с p-n переходом в качестве затвора представляет собой проводящий канал с двумя омическими контактами – стоком и истоком. Третий электрод структуры – затвор – образует выпрямляющий с каналом p-n переход. Сопротивление канала будет изменяться с изменением толщины области пространственного заряда (ОПЗ), распространяющейся в канал. Рассмотрим основные режимы работы ПТ на модели проводящего n-канала, ограниченного двумя р+областями.

а) Напряжения прикладываемые к электродам:U_С-напряжение поданное на электрод сток; U_З-напряжение поданное на затвор; U_И-напряжение на истоке. На рис.2а указаны основные размеры, характеризующие рассматриваемую структуру: длина канала L; его толщина a, а также локальная ширина обедненного слоя h и соответствующая локальная толщина проводящего канала b при условии, что U_С=U_З=U_И=0. В отсутствии напряжений смещения прибор находится в термодинамическом равновесии, и все токи равны нулю. Ширина ОПЗ в этом случае определяется только контактной разностью потенциалов и уровнем легирования областей n и р+: W_ОПЗ1=f(_k).

б) U_С = U_И = 0, U_З<0 (рис.2 б). Полярность приложенных напряжений соответствует n-канальному полевому транзистору (для p-канального прибора полярность напряжений питания должна быть противоположной). В этом случае р+n переход оказывается обратно смещенным и W_ОПЗ2= f(_k+U_З) > W_ОПЗ1 и, следовательно, толщина канала уменьшилась.

в) U_И = 0, U_С>0, U_З<0 (рис.2 в). При таком режиме работы транзистора ширина ОПЗ (и следовательно толщина канала) со стороны стока и истока будет разной, поскольку: со стороны истока р+n переход будет находится под потенциалом _k+U_З и W_ОПЗ= f(_k+U_З), а со стороны стока добавляется потенциал стока (обратное смещение р+n переход) на и W_ОПЗ= f(_k+U_З+U_С). При фиксированном напряжении на затворе (нулевом или отрицательном) и дальнейшем увеличении напряжения на стоке возникает момент, когда область пространственного заряда занимает весь канал (рис.2 г). Напряжение на стоке в этом случае называется напряжением стока насыщения U_Cнас, а протекающий в канале ток – током стока насыщения I_{СТ НАС}.

Напряжение отсечки при котором канал перекрывается областью пространственного заряда равно: U_отс=_k+U_З+U_Снас. При дальнейшем увеличении напряжения на стоке ток стока изменяется слабо и остается примерно равным току насыщения до тех пор, пока не начнется лавинный пробой p+n-диода затвор-канал, после чего ток стока резко возрастает при увеличении напряжения.

Типичные вольт-амперные характеристики полевого транзистора с p-n переходом представлены на рис. 3. На этих характеристиках следует различать четыре области: линейную (при малых напряжениях на стоке), где ток стока пропорционален напряжению на стоке; переходную область, более слабого роста тока из-за полевой зависимости подвижности; область насыщения, где ток стока I_C не зависит от напряжения стока; область пробоя, где ток стока стремительно растет при сравнительно небольших приращениях напряжения на стоке.

Проведем анализ вольт-амперных характеристик длинноканального (L>>a) полевого транзистора с p-n переходом, воспользовавшись следующими предположениями:

1. приближением плавного канала;

2. независимостью подвижности носителей заряда от электрического поля.

Учитывая симметрию модели ПТ-транзистора с р+-n переходом, рассмотрим только верхнюю половину полевого транзистора (рис. 4).

Приближение плавного канала состоит в том, что для распределения потенциала в обедненном слое можно записать одномерное уравнение Пуассона, решив которое можно найти потенциал в любой плоскости области пространственного заряда:

(1)

где E_y – поперечное электрическое поле;

(y) – распределение плотности зарядов, зависит от распределения легирующей примеси, (y)=qf(N_D). Например, для равномерно легированного донорами с концентрацией N_D канала (y)=qN_D.

Интегрируя выражение (1) получим выражение для поля Е_y:

Константа определяется из условия резких границ: поле существует только в области пространственного заряда, вне его поле равно нулю: y=h, E_h=0:

, т.е.

Обозначив получим, после второго интегрирования выражение для потенциала в любой плоскости y-U(y):

и при y=h, то есть на границе области пространственного заряда:

Если ширина области пространственного заряда занимает всю толщину канала, y=a, то напряжение при котором реализуется этот случай называется напряжением отсечки:

(2)

Для вывода и анализа ВАХ воспользуемся дифференциальным законом Ома: j_ст=(y)E_x, где j_ст - плотность тока, протекающего через канал, который называется током стока, (y)=qn(y)_n – удельная электропроводность канала, зависящая от распределения электронов по толщине канала.

Интеграл плотности тока по всей толщине проводящего канала от y=h до y=a определяет полный ток стока

(3)

где z – ширина канала.

После некоторых преобразований, выражение для плотности тока запишется в виде:

, (4)

где , для однородно легированного канала

(5)

При фиксированном напряжении на затворе - U_З максимальное значение тока (ток насыщение I_С.НАС) равно:

Рассмотрим физическую модель возникновения тока насыщения. С увеличением напряжения стока до U_С.НАС электрическое поле в канале со стороны стока достигает критического значения Е_КРИТ, скорость электронов – скорости насыщения, а ток транзистора начинает насыщаться. При дальнейшем увеличении напряжения стока (U_C>U_С.НАС) область пространственного заряда расширяется к стоку, а место, где электроны впервые достигают скорости насыщения, смещается в противоположном направлении, т.е. к истоку. По мере продвижения от истока к стоку потенциал в канале растет, ширина ОПЗ увеличивается, а проводящий канал сужается. Но поскольку скорость электронов в этой области уже не зависит от электрического поля и равна скорости насыщения, для компенсации этого сужения канала и обеспечения сохранения полного тока концентрация электронов здесь увеличивается и становится больше концентрации доноров. Таким образом, часть канала, где скорость электронов равна скорости насыщения, оказывается отрицательно заряженной, а примыкающая к ней со стороны стока область из-за нехватки электронов – положительно. Следовательно, часть напряжения стока, избыточная над U_С.НАС, падает на дипольном слое, который расширяется в стоковой части канала при дальнейшем росте напряжения на стоке.

Крутизна характеристики полевого транзистора определяется как изменение тока стока при изменении напряжения на затворе. В данном случае от напряжения на затворе (при постоянном напряжении на стоке) зависят положения границ области пространственного заряда h₁ и h₂. Поэтому

Рассчитывая частные производные, получаем общее выражение для крутизны полевого транзистора

Проводимость канала определяется, как изменение тока стока при изменении напряжения на стоке при постоянном напряжении на затворе

В линейной области вольт-амперной характеристики (U_C0) проводимость канала определяется выражением:

(6)

В области насыщения крутизна стокозатворной характеристики равна:

(7)

Отметим полную идентичность выражений (6) и (7).

На рис.5 изображены вольтамперные характеристики реального n-канального полевого транзистора КП313. Как видно из этих характеристик при увеличении отрицательного напряжения на затворе напряжение, соответствующее началу насыщения U_С.нас, уменьшается. Это обусловлено тем, что напряжение отсечки, равное U_отс=_k+U_З+U_С.нас не должно меняться.

Переходные стокозатворные характеристики, рис. 6, выражают зависимость тока стока от напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке I_СТ=f(U_З)_Uст=const. Из этой зависимости определяется крутизна статической стокозатворной характеристики S:

,

которая показывает способность упрвления током стока напряжением на затворе и для данных транзисторов имеет величину порядка нескольких единиц или десятков мА/В. Приблизительно определить крутизну стокозатворной характеристики можно по тангенсу угла наклона переходной вольт-амперной характеристики:

Частотные характеристики полевых транзисторов определяются двумя основными факторами: временем пролета и временем перезарядки емкости затвора RC.

Граничной частотой полевого транзистора называется частота, при которой ток через входную емкость равен току эквивалентного генератора тока стока

2С_вх^.f_ГР = SU_З; f_ГР = S/2С_вх