L_5 (Конспекты лекций), страница 4

Следовательно, процесс заряда входной ёмкости С зи затягивается, и напряжение U зи будет увеличиватьсязначительно медленнее, что повлияет на процесс отпирания транзистора. Призапирании транзистора проходная ёмкость также будет влиять, замедляя процессего выключения.Для количественной оценки степени влияния проходной ёмкости вычисляют эквивалентную входную ёмкостьСзи.экв= С зи + С зс ( К + 1),где «К»─ коэффициент усиления по напряжению.Таким образом, из-за влияния проходной ёмкости происходит увеличение эквивалентной входной ёмкости.

Это явление получило название эффекта Миллера.Сущность эффекта Миллера состоит в том, что эквивалентная входная проводимость активного четырёхполюсника, обусловленная обратной связью, отличается от реальной проводимости, включенной в цепь обратной связи. За счёт эффекта Миллера замедляется переключение транзистора и увеличивается ток, который, достигнув определённого предела, нарушает работу источника входногосигнала.3. Математические модели полевых транзисторовМодели полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом и МОПтранзисторов несколько отличаются друг от друга, но это различие незначительное, поэтому лучше подразделять модели большого сигнала и малого сигнала.3.1.

Динамическая модель большого сигналаНа рис.5.16 показана динамическая модель полевого n-канального транзистора большого сигнала, а на рис.5.17 ─ универсальная модель (для большого ималого сигналов).20rсСзсЗUзиIсIуЗСUисСзиСзиСзсSUзиИСrсиrиИРис.5.16СсиРис.5.17Подложку считаем соединённой с истоком, поэтому ёмкости относительноподложки модель не учитывает.

Инерционные свойства полевого транзистора вдинамической модели отражаются с помощью междуэлектродных ёмкостей С зс иС зи. Если бы рассматривалась модель полевого транзистора с управляющим p-nпереходом, то необходимо напомнить, что междуэлектродные ёмкости С зс , С зи иС си (а также ёмкости электродов относительно подложки), зависят от напряжения на переходах ─ это барьерные ёмкости полевых транзисторов.Сопротивления слоёв стока и истока r и и r с обычно учитываются только длядостаточно мощных транзисторов ( в модели на рис.5.16) они показаны пунктиром).Источник тока I у , управляемый напряжением, моделирует ток при нормальном включении (активный режим).В области низких частот такую модель можно описать двумя параметрами─ крутизной (S) и выходным сопротивлением r си .Эти два параметра легко определяются по стоковым ВАХ транзистора:S=∆Iс приU си = const ,∆Iзи∆Uси приr =U зи = const.си∆IсРаботать с моделью удобнее используя стоковые ВАХ транзистора.

В отличие от биполярного транзистора получить единое выражения для описания ВАХне получается. При расчётах используют кусочно-линейную аппроксимацию.Наиболее удобной является инженерная аппроксимация ВАХ (5.9). В уравнении21(5.9) допустимо пренебречь квадратичным членом и тогда оно принимает виддля крутого участка ВАХI c = b[(U зи − U 0) U си .При малых значениях U си эту зависимость можно считать линейной, то естьМОП-транзистор в пределах крутого участка ВАХ эквивалентен линейному резистору с сопротивлением (4.13).В режиме насыщения , когда U син = U зи − U 0 , для пологого участкаI = 0,5b(U зи − U 0) 2 .сСледовательно, в пределах пологого участка зависимость Ic = f(U си ) будетиметь нелинейный характер.

В соответствии с этим уравнением модель МОПтранзистора называют «квадратичной»: ток пропорционален квадрату напряжения (U зи ─ U 0 ).С повышением мощности и рабочей частоты модель транзистора усложняется, так как на работу прибора начинают оказывать влияние паразитные параметры, заложенные в транзистор в технологическом процессе.Вплоть до 10 МГц учёту подлежат паразитные ёмкости: С зп ; С зи ; С зс ; С си .Свыше 10 МГц схема модели становится ещё сложнее: добавляются паразитные индуктивности выводов. Мы воспользуемся более простой высокочастотной динамической моделью мощного МОП-транзистора для частоты не выше10 МГц (рис.5.18).Эта модель пригодна для режимов и малого, и большого сигналов: в полевом транзисторе отсутствуют неосновные носители, а паразитные ёмкости зависят от напряжения.Современные реальные МОП-транзисторы, у которых размеры начинаютзаходить в субмикронную область, невозможно описать одномерной моделью.Такие МОП-транзисторы удобнее представлять двухмерной, или, в некоторыхслучаях, ─ трёхмерной моделью.

Чтобы сильно не усложнять модель транзистора, рекомендуется на первом этапе проектирования схем на МОП-транзисторахиспользовать идеализированную модель. А во втором этапе проектированиявоспользоваться компьютерным моделированием, чтобы выявить отклоненияот идеальности.22СзсrзrсЗССзпrзиSUзиrсиСсиСзиrиИРис.5.18. Высокочастотная динамическая модель мощного МОП-транзистора4. Основные тенденции в технологии изготовления ИС на полевыхтранзисторах.Подавляющее большинство ИС изготовляются по МОП-технологиям. Но,поскольку, довольно остро стоит вопрос быстродействия схем, то на сцене появляются и другие технологии. Например, БИКМОП-технология, которая в одномкристалле объединяет биполярные и МОП-транзисторы, или технологии с использованием сверхпроводящих материалов.

Но главное направление в технологии ИС наблюдается в изготовлении КМОП-схем, так как быстродействие этихсхем непрерывно растёт, а потребление мощности, в сравнении с другими схемами, невелико. Типовая 0,25-микронная КМОП-технология позволяет получить n-МОП-транзисторы минимальных размеров. Такие n-МОП-транзисторыназываются короткоканальными. Ток стока в транзисторе изменяется обратнопропорционально эффективной длине канала.5.

Теоретическое обобщение по темеПринцип работы биполярного и униполярного транзисторов сильно отличаются, поэтому не надо их отождествлять, так как это вносит определенную путаницу в анализ принципа действия транзисторов. Управляющим электродом у полевого транзистора является затвор. Полевые транзисторы имеют много особенностей по сравнению с биполярными, потому что в них используется эффект поля. Управление со стороны управляющего электрода происхо-23дит напряжением, основной способ движения носителей − дрейф, а биполярныетранзисторы работают в режиме заданного входного тока.В принципе изменять ток стока можно с помощью и напряжения на стоке,но его влияние на ток гораздо слабее, чем затвора, поэтому командное место вуправлении током принадлежит затвору.

Входная цепь полевых транзисторов непотребляет тока, так как управляющая цепь отделена от канала либо диэлектриком (у МОП-транзисторов), либо обратносмещенным p-n-переходом (у канальных). За счёт этого входное сопротивление у полевых транзисторов велико.За счет того, что входные цепи не потребляют токов, нагрузочная способность полевых транзисторов в ключевом режиме высокая: на один МОП-ключможно нагрузить свыше 10 идентичных ключей, а у КМОП ─ свыше 100.Для униполярного транзистора с управляющим p-n-переходом присутствиевходных токов может закончиться его гибелью: это происходит в тот момент, когда переход во входной цепи приходит в прямосмещенное состояние и входнойток может стать недопустимо большим.

В униполярном транзисторе отсутствуетявление инжекции, и это в корне меняет его параметры, режимы и, даже, подходк эксплуатации. В современных электронных схемах используются полевыетранзисторы с объемным каналом (с управляющим p-n-переходом) и МОП транзисторы с приповерхностным каналом (с изолированным затвором). Такое разнообразие модификаций полевых транзисторов позволяет изменять параметры ирежимы усилителей, их характеристики, увеличивать нагрузочную способностьцифровых схем, создавать цифровые логические схемы с очень малым потреблением мощности (например, КМОП-инверторы). Современные технологии позволили уменьшить длину канала в полевом транзисторе, следовательно, сопротивление канала заметно уменьшилось: у современных реальных МОПтранзисторов размеры начинают заходить в субмикронную область.Дополнительные сведения о полевых транзисторахМОП-структуры специального назначенияВ структурах типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором выполняется двухслойным: слой оксида SiO 2 и толстыйслой нитрида Si 3 N 4 .

Между слоями образуются ловушки электронов, которыепри подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28..30 В)захватывают туннелирующие через тонкий слой SiO 2 электроны. Образующиесяотрицательно заряженные ионы повышают пороговое напряжение, причём их24заряд может храниться до 25 лет при отсутствии питания, так как слой SiO 2 предотвращает утечку заряда. При подаче на затвор большого отрицательного напряжения (28…30 В), накопленный заряд рассасывается, что существенноуменьшает пороговое напряжение.Структуры типа металл-оксид-полупроводник (МОП) с плавающим затвором и лавинной инжекцией (ЛИЗМОП) имеют затвор, выполненный из поликристаллического кремния, изолированный от других частей структуры.

Лавинный пробой p-n-перехода подложки и стока или истока, на которые подаётсявысокое напряжение, позволяет электронам проникнуть через слой окисла на затвор, вследствие чего на нём появляется отрицательный заряд. Изолирующиесвойства диэлектрика позволяют сохранять это заряд десятки лет. Удалениеэлектрического заряда с затвора осуществляется с помощью ионизирующегоультрафиолетового облучения кварцевыми лампами, при этом фототок позволяетэлектронам рекомбинировать с дырками.В дальнейшем были разработаны структуры запоминающих полевыхтранзисторов с двойным затвором. Встроенный в диэлектрик затвор используется для хранения заряда, определяющего состояние прибора, а внешний(обычный) затвор, управляемый разнополярными импульсами для ввода илиудаления заряда на встроенном (внутреннем) затворе. Так появились ячейки, азатем и микросхемы флэш-памяти, получившие в наши дни большую популярность и составившие заметную конкуренцию жестким дискам в компьютерах.Для реализации сверхбольших интегральных схем (СБИС) были созданысверхминиатюрные полевые микротранзисторы.

Они делаются с применением нанотехнологий с геометрическим разрешением менее 100 нм. У таких приборов толщина подзатворного диэлектрика доходит до нескольких атомных слоев. Используются различные, в том числе трехзатворные структуры. Приборыработают в микромощном режиме. В современных микропроцессорах корпорации Intel число приборов составляет от десятков миллионов до 2 миллиардов.Новейшие полевые микротранзисторы выполняются на напряженном кремнии,имеют металлический затвор и используют новый запатентованный материалдля подзатворного диэлектрика на основе соединений гафния.[1]В последние четверть века бурное развитие получили мощные полевыетранзисторы, в основном МДП-типа.

Они состоят из множества маломощныхструктур или из структур с разветвлённой конфигурацией затвора. Такие ВЧ иСВЧ приборы впервые были созданы в СССР специалистами НИИ «Пульсар»Бачуриным В. В. (кремниевые приборы) и Ваксембургом В. Я. (арсенидгаллиевые приборы) Исследование их импульсных свойств было выполнено на-25учной школой проф. Дьяконова В. П. (Смоленский филиал МЭИ). Это открылообласть разработки мощных ключевых (импульсных) полевых транзисторов соспециальными структурами, имеющих высокие рабочие напряжения и токи (раздельно до 500—1000 В и 50-100 А). Такие приборы нередко управляются малыми (до 5 В) напряжениями, имеют малое сопротивление в открытом состоянии(до 0,01 Ом) у сильноточных приборов, высокую крутизну и малые (в единицыдесятки нс) времена переключения.