А.С. Белокопытов, К.С. Ржевкин, А.А. Белов, А.С. Логгинов, Ю.И. Кузнецов, И.В. Иванов - Основы радиофизики (1119801), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Пе- и,в ст' рекрытие канала у стока приводит к перераспре- О делению напряжения вдоль канала. Практически 2 4 6 8 1О 12 все напРЯжение оказываетсЯ приложенным к ма- Рис. 4.34. Семейство стоковых ВАХ капой области обеднения у стока, где напряженность иального транзистора поля достигает значений ° 10' — !О' В/см, а средняя скорость электронов — скорости насышения в, !О' см/с. При этих условиях проводимость канала у стока подобна проводимости коллектора в биполярном транзисторе (БТ).
Плотность тока равна 7 = дпв„ в, = сопзг, а концентрация инжектнрованных носителей и зависит от напряжения на эмиггере у БТ и от напряжения на затворе у канального транзистора. Поэтому при У > У„= и„— У, ток стока перестает зависеть от напряжения на стоке и, как показано на рис. 4.34, определяется только напряжением на затворе. Для режима линейного усиления в КТ, так же как в электронных лампах — пентодах и БТ (рис. 4.7 и 4.31)„используется только та часть ВАХ, где ток стока достигает насыщения. В этой области крутизна определяется из соотношения (4.30) (4.31) Максимального значения крутизна достигает при напряжении на затворе, равном нулю, т.
е. ВС„п„, г)т„дп,й, ! Б.„=а,= " "и„=' До Как следует нз (4.31), с ростом смешения на затворе У, крутизна уменьшается и ВАХ на рис. 4.34 располагаются чаще по мере приближения к оси напряжения. Для типовых значений параметров, использованных в предыдушем примере, значения крутизны у. серийных кремниевых КТ лежат в интервале 1+!О мА/В. Чрезмерное увеличение напряжения на стоке может привести к лавинному пробою р-и-перехода вблизи стока, где обратное напряжение достигает максимального значения У = У + У,.
Например, если пробой наступает при У, = У,„= 12 В, то для характеристики У,=О У„=У„=12 В, а для характеристики У,=2 В при и„=и„— и,=10 В. Поэтому с ростом смещения на затворе напряжение на стоке, при котором наступет пробой, уменьшается (рис. 4.34). До момента перекрытия канала нейтрализация неравновесного заряда в канале осуществляется с максвелловским временем релаксации т' = е/и (4.9).
После перекрытия канала такой механизм становится невозможным, поскольку на пути электронов возникает обедненный слой и установление электрической нейтральности происходит с . временем пролета, как в вакуумном диоде. Поэтому частотные свойства КТ в области насыщения ВАХ определяются временем пролета. Для увеличения крутизны (4.3!) и частотного диапазона КТ необходимо уменьшать длину проволяшсго канала 1,' увеличивать ширину затвора Я и использовать матери- 92 Глава 4. Нелинейные активные и пассивные элементы алы с высокой подвижностью электронов.
В связи с этим наиболее перспективными приборами оказались КТ с субмикронными размерами 1 < 10 4 см (2/1 800), изготовленные на основе ОаАз, для которого )ь„> 10" см»/В. с. Затвор у транзисторов этого типа выполняется в виде контакта металл — полупроводник (барьер Шоттки). Этим транзисторам присвоено название полевые п»рапзисторм с барьером Шотт»»п, их краткое обозначение — ПТШ. Принцип действия ПТШ ничем не отличается от КТ с р — и- переходом, так как барьер Шоттки, смещенный в обратном направлении, выполняет те же функции, что и р-п-переход.
В связи с интенсивным развитием интегральной электроники одной из главных характеристик прибора становится его технологичность, т. е. возможность создания в малом объеме сложных функциональных схем с высокой степенью интеграции и малым потреблением энергии. В этом отношении КТ уступают ПТ со структурой МДП.
Рис. 4.35. Конструкция полевого транзистора с изолированным затворол» (МОП) Полевые транзисторы со структурой МДП (МОП) Конструкция кремниевого МОП транзистора с р-каналом показана на рис. 4.35. Тонкий ( 1 мкм) слой полупроводника с дырочной проводимостью (подложка р-типа) располагается между затвором и металлическим электродом подложки. От затвора подложка изолирована тонким (= 4 10 мкм) слоем двуокиси кремния 5)О». По обе стороны от затвора нанесены два и'-контакта для истока и стока.
В исходном состоянии, котла У, = О, а У„~ О, проводимость между истоком и стоком практически равна нулю, так как стоковый р — а-переход смещен в обратном направлении и вблизи от него образуется обелненный слой. Конструкция на рис. 4.35 подобна плоскому конденсатору. одна из пластин которого является затвором, а другая электродом подложки. При увеличении напряже:-шя У, ("'+" на затворе, "-' на поддокке) начинается заряд конденсатора, сопровождан шийся переносом электронов по внец ней цепи от затвора к подзложке.
Этот наведенны» заряд электронов скапливается в об»-.чс полупроводника. В рсзультате поверхность дызочного полупроволника вблизи изолятора сначала обедняется дырками. а затем обогаачастся 4.7. Полевые т анзисторы 93 За Исток Сток о о ю Исток Приближенная теория МОП транзистора Для получения выражения ВАХ МОП транзистора соотношение (4.24) удобно записать в виде 8В= йу (4.32) Фп ян(у где ~И вЂ” сопротивление' проводящего канала длинной йу (рис. 4.35); д„(у) = С„(У„н-11в) — удельный зарял. наведенный в канале, С„= в„/с(„— удельная емкость затвора.
в,, — диэлектрическая прон шаемость изолятора (51О,) (Ц. Тосза связь между током стока 1, н напряжением в канале 11, будет описыватьсл электронами. (Первоначально этот процесс связан с притоком электронов по валентной зоне полупроводника, т. е. с уменьшением концентрации дырок.) Напряжение, при котором концентрация наведенных электронов становится равной концентрации дырок, называется пороговым У„,о. Обычно для кремниевых МОП транзисторов У, = (1гр5) В. При этом напряжении поверхность полупроводника обедняется носителямй тока и его проводимость становится собственной (р; = кч). В этом смысле напряжение 11„,о для МОП транзисторов имеет то же значение, что и У„для канальных (4.28). При дальнейшем росте напряжения на затво- а) сток б) ре концентрация электронов на поверхности полупроводника начинает превышать концентрацию дырок и образуется тонкий инверсный слой твор Затвор с проводимостью и-типа.
Теперь два перехода п+ — п у истока и стока являются омическими контактами. Возникновение проводимости приводит к падению напряжения вдоль канала— Сток г) Г„. Напряжение У„увеличивается от истока к стоку. В результате разность потенциалов меж- 1 ду затвором и проводящим каналом У, — У„не Затвор ~ $ Затвор~ остается постоянной, а достигает максимально- О го значения У, у истока (при этом У„(0) = О) и минимального 1Г, — У у стока. Когда разность Исток б, — У„становится Равной У„~, у стока обра- 4 зуется участок с собственной проводимостью и канал пеРекРываетсЯ.
ПеРекРытие настУпает при ор и (а) и р (6). напряжении на стоке У„= (); — У„,о Напряже- МОП транзистор с н-каналом (в) и рние ц„„называется напряжением насыщения, каналом(г) так как начиная с этого значения ток стока, так же как в КТ, перестает зависеть от напряжения на стоке и определяется только напряжением на затворе. При У > У„„происходит расширение обедненной области вблизи стока и уменьшается эффективная длина канала до значения 1' < 1 (см. пунктир на рис.
4.35). В МОП транзисторах при У, = 0 инверсный слой может быть создан искусственно за счет мелкой диффузии акцепторной примеси либо за счет контактной разности потенциалов (в„> У, . Такие ПТ называются транзисторани с встроенным каналом. Для них нормальный режим работы соответствует обеднению проводящего канала (" —" на затворе). На рис. 4.36 приведены условные обозначения полевых транзисторов.
Рис. 4.36, а, б относятся к канальным транзисторам, а рис. 4.36, в, г к МОП транзисторам. Стрелка на выводе 'подложка" указывает на тип проводящего канала (п или р), определяемого по расположению р-и-перехода в подложке (см. поясняющее обозначение на рис. 4.35). 94 Глава 4. Нелинейные активные и пассивные элементы дифференциальным уравнением йи„=е йд= Е йр р„гд„(у) или После интегрирования для ВАХ МОП транзистора получим ~и„им — — и ~ . (4.33) Максимальное значение тока стока (Е ) = и„' (4.34) достигается при напряжении насыщения и„= и, — и„„, (4.35) (и. ). дг ) Рнс. 4.37.
Семейство стоковых ВАХ полеаокогд ащ (и, = Роводящий канал у сто- го транзистора с индуцнроаанным каналом ка перекрывается. Дальнейшее увеличение на- о-типа пряжения на стоке (и > и„„) приводит к сильному перераспределению напряжения вдоль канала и уравнение для* ВАХ (4.33) перестает выполняться. Следовательно, оно справедливо только на восходящих участках до значения Е, и„(рис. 4.37). Далее ток стока насыщается и появляются пологие участки, обусловленные теми же физическими причинами, что и для канальных транзисторов. Для режима обеднения (" —" на затворе) формулы (4.33) и (4.34) остаются без изменения, но (4.35) принимает вид инм = ипер им так как при обеднении напряжение между затвором и проводящим каналом равно сумме и, + и„, а не разности и, — и„.
Параметры полевых транзисторов Основным параметром МОП транзистора является крутизна в области насыщения ВАХ, определяемая как отношение приращения тока стока к приращению напряжения на затворе при и = сопзс Тогда из (4.34) следует аЕ.м1 ге„р„г „р„ аи, ~ш, 1 "" 4„1 (4.36) Например, для кремниевого транзистора с и-каналом Я = 8. 10 'см. р. = 10'см'/В с, Си ' 2 . 10 'Ф/см', 1 = 2, 5 и км получим 80-6 10 и-;. Для и„,„.
= 2В Я, 12мА/В. Реальные значензи 5 для кремниевых МОП транзисторов лежат в интервале 10 < а < 100мА/В. Согласно приведенной выше теории канальных н 54ОП транзисторов дифференциальная выходная проводимость з области'насыщения '— ,""'1. равна нулю. Этот результат мс„ с 4.7. Полевые транзисторы 95 Эквивалентная схема и частотные свойства Простейшая эквивалентная схема с общим истоком для малых сигналов показана на рис. 4.38. Эта схема подобна эквивалентной схеме для электронной лампы (рис. 4.8,б). Входная резистивная проводимость С, очень мала (С, ' 10"Ом). Эту проводимость можно не учитывать при расчете схем с МОП транзисторами.
Входная емкость С, между затвором и проводящим каналом является распределенной. Максимальное значение С, приходится на участок затвор — исток С,„. По мере приближения к стоку емкость С, убывает до значения С„, которое примерно на порядок меньше, чем С,„. Приближенно можно считать, что С, = С„, С„В!. Емкости С и С„на рис. 4.38 — соответственно входная и проходная емкости транзистора. Они включают в себя емкости обедненного слоя подложки и параэитные емкости схемы. Выходная емкость С,„„соответствует емкости канала, а в реальных схемах включает в себя также емкости подложки и монтажа.
Эквивалентный генератор тока Я,н отражает усилительные свойства МОП транзистора. Рнс. 4.38. Упрощенная эквивалентная схема полевого транзи- стора В отличие от электронных ламп. где электроны инжектируются из катода за счет термоэлектронной эмиссии, в МОП транзисторах наведенный заряд в проводящем канале связан с перезарядом емкости затвора С,. Таким образом, потребление тока на входе является необходимым условием их работы. Поэтому для МОП транзисторов вводится коэффициент усиления по току: !выл днах ВО К;= —, шС,и шС,' откуда, с учетом (4.36), широкололосность МО!7 транзиояора — произведение коэффи- циента усиления К, на частоту 7 = ш/2я — равна )з (7...
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
