Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 36
Текст из файла (страница 36)
е.эта часть канала оказывается отрицательно заряженной. В не-Раздел1921.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫкотором сечении в области стока, где сечение каналадящее через х 2 , равно8 1,8 2,прохоконцентрация электронов равна концентрации доноров. Указанный отрицательный заряд областиканала компенсируется положительно заряженным слоем, расположенным за слоем82ближе к стоку, где наблюдается некоторый дефицит электронов. Следовательно, часть напряжениястока Иси• превышающая Иси нас• падает на образовавшемся диполыюм слое, который расширяется в стоковой области каналапри дальнейшем росте И си· Падение напряжения на дипольномслое приводит к большему отклонению ВАХ в области насыщения к оси абсцисс.Если увеличить отрицательное напряжение на затворе (абсолютную величину IИзиl), то ширина обедненной области возрастает и происходит сужение канала, что увеличивает сопротивление=на линейномучасткестоковойхарактеристикиIс =f(Иси) (при малых И си) транзистора.
При этом уменьшаетсянапряжение Иси нас' при котором в наиболее узкой части каналадостигаетсякритическоеполе,соответствующеенасыщениюскорости. В силу сказанного характеристика смещается вниз, аучасток насыщения характеристики транзистора с увеличением \И зиl начинается при меньших напряжениях на стоке И си6.5, би 6.6, д).6.5, б переход в режиме насыщения обозначен бук«Н», а на рис. 6.6, д соответствующая ВАХ дана штриховой(см. рис.На рис.войкривой.В скобках здесь указаны значения напряжения назатворе, относящиеся к МДП-транзисторам со встроенным каналом, где реализуется режим обеднения канала (малые токиIc,Изи< О) и обогащение канала носителями, втянутыми в существующий канал за счет напряжения Изи (большие токиIc,Изи> О).Подчеркнем еще раз: в транзисторах с коротким каналомполного перекрытия канала не происходит.Помимо рассмотренных выходных стоковых характеристикIc = f(Иси> при Изи= const, широко используются передаточные(стокозатворные) характеристики Ic = f(Изи) при Иси = const(см.
рис. 6.4, е; 6.5, в; 6.6, е). На рис. 6.6, е приведены семейства I с = f(Изи) для МДП-транзисторов со встроенным каналом,обозначенные индексом В, и с индуцированным каналом (И), ана рис.6.4,е и рис.Глава6.в-6.5,Полевые транзисторы193аналогичные характеристики соответственно для ПТШ и ПТУП. При Иси <И си нас (крутые участки выходных характеристик) для всех типов транзисторов рассматриваемые стокозатворные характеристики близки к линейным, поскольку относятся к однородным каналам, когда вних нет перекрытия. В этом случае каналы во всех типах транзисторов ведут себя подобно полупроводниковым резисторам,что хорошо видно на рис.6.6,д при И си=1 В.При значениях И сю соответствующих пологой области выходных характеристик, когда Иси>Исинас' передаточные характеристики описываются квадратичной зависимостью. Квадратичная зависимость стокозатворных характеристик объясняется тем, что ток стока пропорционален объемной плотностизаряда электроновQn = Суд(И зи - И пор) в канале и напряжениюна перекрытой части канала И си нас= Изи- Ипор•Иси нас~ (Изи - Ипор) (более подробно см.
п. 6.4).т. е.Ic ~ Qn,2Квадратичная зависимость Ic= f(Изи) ~ И~и характерна для6.4, е, штриховая литранзисторов с длинным каналом (см. рис.ния). Для транзисторов с коротким каналом передаточная характеристика квадратична только при напряжениях Изи вблизи порогового (см. рис.6.4,е, сплошная линия).
С ростом напряженияИзи на неперекр:Ь1той части канала увеличивается напряженность продольного электрического поля. В результате подвижность электронов снижается, дрейфовая скорость приближаетсяк скорости насыщения и перестает зависеть от напряжения Изюв результате характеристика становится линейной.Для МДП-транзисторов при наличии отдельного вывода от подложки,возможноиспользованиетакжесемейства стокозатворных характеристик, измеренных при Исиприразныхзначениях= const,нонапряженияна подложке И ПИ> измеряемого относительно истока (рис.6. 7).5Напряже-ние И пи изменяет обратное смещениена переходе сток-подложкадовательно,добнорис.тому,6.6,7 - 6779параметрыкакб, в, г.этои,канала,показанослепонаоРис.6.7Раздел1946.4.1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕЛРИБОРЫМоделирование полевых транзисторовТеоретически статические характеристики и параметры транзисторов могут быть определены совместным решением уравнений Пуассона и непрерывности, с помощью которых вычисляютсяраспределениенапряженностиэлектрическогополяиконцентрация носителей заряда.
Поскольку при анализе необходимо учитывать как продольную, так и поперечные составляющие электрического поля в канале транзисторов, то одномерноеприближение не подходит для данного случая и необходимо рассматривать по крайней мере двумерную задачу, которая аналитически не решена. Б результате приходится использовать численные компьютерные методы. Однако для практических целеймоделирования, расчета схем и определения параметров транзисторов необходимы простые аналитические выражения БАХ,которые можно получить только, если использовать ряд упрощающих допущений в реальной картине протекания физических процессов в транзисторах.
Наиболее важными являютсяследующие допущения:1)полагается, что продольная составляющая напряженности электрического поля много меньше поперечной, т. е.Sy «2)Бх-приближение плавного канала;движение носителей в канале считается чисто дрейфовым, т. е. диффузионной компонентой пренебрегается.Другие допущения: подвижность носителей в канале не зависит от напряженности электрического поля; поверхностныйзаряд и контактная разность потенциалов металл-полупроводник равна нулю; обратные токи р-п-переходов малы посравнению с током канала; эффект модуляции длины каналаотсутствует;ударнаяионизация в стоковом р-п-переходе отсутствует; сопротивления областей истока и стока пренебрежимо малы по сравнению с сопротивлением канала; поверхностный потенциал <рпов у истока при Изиа у стока <рпов=<рпор>Ипор равен <рпор =+ Иси для крутой частиБАХ и <рповconst,=<pnop++И си нас в области перекрытия для пологой части выходной характеристики.Первое приближение, когдаSy «Бх, приводит к тому, что выражение для БАХ будет иметь приемлемую точность только длякрутого участка стоковой характеристики при иси<иси нас•Приближение дрейфовой скорости выполняется при большой195Глава б.
Полевые транзисторыконцентрации носителей в канале, т. е. когда Изи- И пор» <\>т·Если Изи z И пор• то основной будет не дрейфовая, а диффузионная составляющая тока. При выводе приближенной БАХ вычисляется поверхностная плотность заряда электронов в каналеиз уравнения нейтральности Qз+ Qпов + Qn =О,где Qз-плотность заряда в затворе, Qпов---: плотность поверхностного заряда,Qпплотность некомпенсированных ионов примеси и под-вижных носителей в канале. Используя полученное выражение,можно определить сопротивление канала как функциюнапряжения И и далее получить формулу для БАХ.Для упрощения анализа и расчета на практике применяютсяаппроксимации БАХ, простейшая из которых имеет вид(6.5)при Иси <Иси нас z Изи - Ипор•(6.6)при Иси;;;, И си нас'(6.7)где µпподвижность электронов; dд--толщина подзатворногодиэлектрика для МДП-транзистора или толщина п-слоя под затвором для ПТШ или ПТУП;ширина затвора;Ед-L-длина затвора (канала); Ь-относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика в МДП-транзисторе.Поясним физический смысл Ипор для ПТШ и ПТУП.
ДляПТШ при напряжении на затворе, равном пороговому, границаобедненного слоя достигает подложки. Толщина канала и, следовательно, ток стока становятся равными нулю и при Изи<Ипортранзистор закрыт. Пороговое напряжение в этом случае, приусловии, чтоL 06 (Unop) = d 0 (d 0-толщина канала), может бытьвычислено по формуле(6.8)где <\>оз-равновесная высота потенциального барьера контактаШоттки; Nк-концентрация атомов примеси в канале; Е -относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника. Аналогичная ситуация будет наблюдаться и для ПТУП.7•Раздел1961.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫТок стока/с в соответствии с выражениемсимума при Иси=(6.5) достигает макИси нас' которое можно приближенно найти,дифференцируя указанное выражение и приравнивая производную нулю.
Формулы(6.5)и(6.6)задают простую математическую модель полевых транзисторов. Параметры К, И пор подбираются из условия наилучшего совпадения расчетных БАХ с экспериментальными.Для учета эффекта модуляции длины канала в режиме насыщения необходимо в выражениефективную длину каналаL'=(6. 7)подставить вместоЛL (см. рис.L -6.4,Lэфг), где длинаперекрытого участка канала ЛL оценивается по формулеЛL = J2е 0 Е(Инас-Исинас)/(qNа).Ввиду того что в формулувместоL(6. 7)(6.9)для коэффициента К следуетподставлять эффективную длину каналаL',нелинейнозависящую от напряжения И сю на практике часто вместо формулы(6.6)используют ее линейную аппроксимацию в режименасыщения(6.10)где К уже не зависит от длины перекрытого участка канала ЛL,а Л'коэффициент модуляции дли.ны канала.-6.5.Полевой транзистор как линейный четырехполюсник.Параметры транзисторов.
Эквивалентные схемыВ режимах работы с малыми амплитудами любой тип ПТ, каки биполярный транзистор, можно представить в виде линейногочетырехполюсника. Из-за высокого входного сопротивления полевых транзисторов наиболее подходящей как с позиций измерений, так и использования является система у-параметров, смыслкоторых дан в п.4.4 (см.формулы(4.26) иобозначения к ним).Поскольку рассмотрение ведется для переменных сигналовиз-за дифференциального характера у-параметров, то целесообразно сначала рассмотреть эквивалентные схемы ПТ, что позволитнагляднопроиллюстрироватьзначенияпараметровтранзисторов и их частотные свойства.Малосигнальная эквивалентная схема МДП-транзистора показана на рис.6.8, а.Источники тока на этом рисунке SИзи иSпИ пи моделируют усилительную способность транзистора, гдеГлава6.197Полевые транзисторыссииа)б)Рис.Sп= ddl сИпи1.Иси• Изи=6.8Сопротивления R3 и и R 3 c определяютсяconstсопротивлением диэлектрика затвора относительно истока и стока.Поскольку эти сопротивления очень велики(~ 10 1 з ...
10 14 Ом), тоими обычно пренебрегают. На рис.6.8, а обозначено:Rпи и Rпс-сопротивления при обратном включениир-п-переходов истока истока; Спи и Спс-барьерные емкости тех же переходов, которыеобычно составляют десятые доли пФ; С 3 и и С 3 с-емкости перекрытия Спер металлического электрода затвора относительно областей истока и стока, показанные на рис.6.10.Помимо емкостиперекрытия, емкость С 3 и часто включает и емкость затвор-ка-нал (С3 к), т. е. С3и=С 3 к +Спер;rc -сопротивление канала. Еслиисток соединен с подложкой, то Rпи и Спи оказываются закороченными и источник тока SпИпи отсутствует.При частоте сигнала много меньшейfsпредельнойчастотыкрутизныи при исключении сопротивленийдиэлектрика R 3 и инаясхемаR3cэквивалент-существенноупрощаетсяи принимает вид, изображенный нарис.6.8,3б.
-Упрощенная эквивалентная схема ПТ-УП и ПТШ представлена на рис.6.9.Она во многом днало1111гична схеме на рис.6.8,цей, что на рис.емкости С 3 и и С 3 сRзиопределяются емкостями обедненныхРис.6.9б с той разниL{==}J6.9И198Раздел1.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫслоевЗатворкихсоответствующихпереходов,анеэлектричесподзатворнымдиэлектриком, как у МДП-транзисИстокторов. Природа Сзи и Сзс для МДПтранзисторов поясняется на рис.ТехнологическиОбласти перекрытия рнитьэлектроднеудаетсязатвораточно6.10.выполмеждуслоями п+ стока и истока, тогда меж-Рис. 6.10ду краями затвора и этими слоями образуются емкости перекрытия С 3 и иСзс· Инерционность полевых транзисторов по отношению к быстрым изменениям управляющего напряжения Изи обусловленаперезарядкой емкости затвора и межэлектродных емкостей.Используя приведенные упрощенные эквивалентные схемы,получим приближенные значения у-параметров для гармонических сигналов малой амплитуды.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
