Петров К.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты (2003) (1152094), страница 54
Текст из файла (страница 54)
11. Как производится аналитический расчет коэффициента усиления напряжения7 12. Нарисуйте и объясните временные диаграммы работы транзистора в импульсном режиме. 13. Что представляет собой модель Эберса — Молла7 14. Нарисуйте и объясните физическую эквивалентную схему биполярного транзистора. 15. Почему ухудшаются усилительные свойства транзистора на высоких частотах7 16. Чем ограничивается быстродействие транзистора при работе в импульсном режиме7 17. Какие физические процессы протекают в тиристоре при включении и выключении? Глава 5 Полевые транзисторы Полевыми транзисторами называют трехэлектродные полупроводниковые приборы, в которых управление током осуществляется изменением проводимости токопроводящего канала путем воздействия электрического поля, поперечного к направлению тока, Токопроводящий канал соединяет две сильнолегированных области. Область, из которой носители заряда уходят в канал, называется истоком, а область, в которую они приходят, — стоком, Электрическое поле, изменяющее проводимость канала, создается путем подачи управляющего напряжения на электрод, называемый затвором.
В полевых транзисторах от истока к стоку перемещаются только основные носители заряда (либо электроны, либо дырки), поэтому их часто называют унинолярными, в отличие от биполярных, в которых перемещаются как основные, так и неосновные носители заряда. Существует три разновидности полевых транзисторов, различающихся физической структурой и способом управления проводимостью канала. В транзисторах с управляющим р-и-переходом в качестве затвора используется область, тип электропровод- ности которой противоположен типу электропроводности канала, в результате чего между затвором и каналом образуется р-н-переход. В транзисторах с управляющим переходом металл-нолущюводник металлический затвор образует с прнповерхностным слоем канала выпрямляющий контакт (барьер Шотки).
В транзисторах с иэолированнын затвором между металлическим затвором и проводящим каналом расположен тонкий слой диэлектрика так, что образуется структура металл-диазектршс— нолулроводник (МДП-структура). Такие транзисторы обычно называют МДП~пранзисторами. Особенностью всех полевых транзисторов является незначительный ток в цепи затвора.
В этом состоит важнейшее отличие полевых транзисторов от биполярных, во входной цепи которых протекает сравнительно большой ток, 5.1. Полевые транзисторы с управляющим р-л-переходом В транзисторах с управляющим р-л-переходом проводимость канала, соединяющего исток со стоком, изменяется путем изменения толщины р-п-перехода, изолирующего затвор от канала.
5.1. Полевые транзисторы с управляющим р-л-переходом Устройство и принцип действия Устройство транзистора с управляющим р-л-переходом и каналом л-типа показано на рис. 5.1. На кремниевой подложке р-типа создается карман с электронной злектропроводностью, в котором формируются две сильнолегированных области л'-типа„выполняющие функции истока и стока. Рис. 6.1 Над слоем л-типа формируется слой р-типа, выполняющий функции затвора. Между затвором р-типа и каналом и-типа образуется р-л-переход, отделяющий затвор от канала.
Концентрация примеси в затворе значительно превышает концентрацию примеси в канале, поэтому р-л-переход толщиной Л почти целиком расположен в навале. Толщина канала и'„зависит от отрицательного напряжения на затворе и, „, изменяющего Ь, то есть Ы„= ио — Ь, где йо — металлургическая толщина канала. Чем больше отрицательное напряжение и, „, тем больше толщина р-л-перехода и, соответственно, меньше толщина канала Ы„и его проводимость.
При некотором напряжении и, „= и., называемом напряжением отсечки, канал полностью перекрывается. При подаче на сток положительного напряжения и, „в канале возникает ток („создающий падение напряжения вдоль канала у(х), вследствие чего толщина Ь и, соответственно, и'„оказываются зависящими от координаты х (рис. 5.2). При небольших значениях и, „(рис. 5.2, а) канал вдоль оси х постепенно сужается. При некотором значении и, „= и„„„называемом напряжением насыщения, канал у стока полностью перекрывается (рис. 5.2, 6). При напряжении и, „> и,, участок перекрытия б расширяется, в проводящая часть канала А'„укорачивается (рис.
5.2, в). В этом режиме внешнее напряжение и, „перераспределяется между каналом и областью перекрытия. На проводящем участке канала напряжение сохраняется равным и,, а к перекрытому участку канала оказывается приложенным напряжение и, „— и„. Режим работы с частично перекрытым каналом иазгявается режимом насыщения, а с неперекрытым каналом — линейным режимом. 286 Глава 5.
Полевые транзисторы +е(х) +е(х) +е(х) а мс-и к хиюс б х,„-и„„ )хне. а.а е х,—,>х, Схематическое изображение полевых транзисторов с управляющим переходом показано на рис. 5.3. ине. в.з Расчет напряжения отсечки и напряжения насыщения 2еео((ры ".— ) дХ, (5.1) где ӄ— концентрация донорных примесей в канале; е)ы — контактная разность потенциалов между затвором и каналом. Толщина канала равна о„= 4 — Ь. При и, „= и канал полностью перекрывается, то есть о„= О, а Ь = пе Следовательно, уравнение (5.1) принимает вид Для расчета напряжения отсечки рассмотрим влияние напряжения и.„„на толщи- ну перехода Ь и толщину канала и'„при напряжении и, „= О. Известно, что толщи- на р-л-перехода зависит от напряжения, приложенного к переходу: 5«т.
Полевыетрннвнсто ыоуправляющим -и-пе входом Отсюда получаем: )у.(2 и '' =- — '' '+<р ««2 «О' о (5.3) Введем обозначение: 7)У (и 2еео (5.4) Тогда + 9м (5.5) Если и, „> б (см. рис. 5.2, а), то будут изменяться потенциал <р(х) вдоль канала и, соответственно, толщина р-п-перехода: Ь(х) = (5.6) При этом толщина канала также оказывается зависящей от координаты ж о ч ~ч()-.
(5.7) Если и, „= и„, то канал перекрывается. Подставляя в (5.7) ок(х) = О и <р(х) = и „ получим ф„«+ и — и Откуда и =и, „— и' — <р„,. Учтем соотношение (5.5), тогда и =и „ — и , (5.8) Следует иметь в виду, что напряжение отсечки и , отрицательное (см. уравнение (5.3)), а напряжение насыщения и„„положительное. В случае, если и, „= О, напряжение насыщения и = — и Расчет тока через канап, ' Для расчета тока воспользуемся моделью, представленной на рис. 5.2, а, где пока- йаны изменение толщины канала о„(х) и изменение потенциала о(х). ! \ 1 3 Глава б. Полевые транзиот где р — удельное сопротивление канала; У вЂ” ширина канала. Преобразуем (5.9): И„(х) 6~р(х) = 1, р Ь.
Подставим (5.7); тогда получим: 1 — "' Р(,) байр(х) = 1,— ех. Представим (5.11) в другом виде: ~р +<р(х)-и „1 . р Проинтегрируем почленно иолучениое уравнение по всей длине канала: и,„ и „ 1 М~ >- / ~"' *~ "*-~И)= р 1 1* о о -й ~'(о е (5.10) (5.11) (5,12) В результате интегрирования получим з 3 з-н Фюб е — н з-» %ко 2 3 (5.13) Здесь Я = — — сопротивление канала при и, „= О и и, „= О Ф.
о Решая (5,13) относительно 1„получаем 1 2 1= — и +-й з 3 из-н ФкО с-н э-и Фю (5.14) Пренебрежем ще, тогда и' = и . Следовательно, — и, +-и (5.15) Выделим в канале участок длиной Нх, обладающий сопротивлением ЫА(х), Ток 1, создает на нем падение напряжения йр(х) = 1,сЫ(х) = (,р —, пт И„(х)У ' (5,9) 2Ва 6.1. Полевые транзисторы с управляющим р-и-переходом Преобразуя, получаем з,= — и, + — (и,„— и,„)з — (и,„)з 1 ~ 2 1 2 (5.16) Если и, „= и = и, „— и, то уравнение(5.15) приметвид: (5.17) Если и, „= О, то ток стока будет равен з,=1, и ЗЯ (5.18) Следовательно, в режиме насыщения (5.19) Это основное уравнение для расчета тока стока было выведено в 1952 году В. Шокли, Статические характеристики Н» рис.
5А, а представлено семейство выходных характеристик, а на рис. 5А, б— управляющая характеристика при некотором значении и, „= и,, зЕ-» иэ-з яззс й~, я~~ б рис. В.а Рассмотрим выходную характеристику при и, „= О. При малых значениях и, „(участок АБ) ток стока пропорционален напряжению и, „н определяется уравнением -4 з 2 2 (и,„Р и — и +-и --и 3 3 (и з 1 — 3 — '+2 — ' з 1 — 3 — '" + 2 — '" Глава б. Полевые транзисторы — — 1 — — '" и (5.20) По мере роста и, „канал постепенно сужается и его проводимость уменьшается, что ведет к замедлению роста тока 1, (участок БВ).
При напряжении и, „, равном напряжению насыщения, канал перекрывается и ток 1, достигает значения 1,,„, определяемого уравнением (5.18). Существование тока в режиме насыщения (участок ВГ) объясняется тем, что к области перекрытия приложена разность потенциалов Ьи = и, „— и„„. Эта разность потенциалов создает продольное электрическое поле, являющееся ускоряющим для подходящих к области перекрытия из канала электронов. Ускоряющее поле переносит подошедшие'электроны через область перекрытия к стоку, вызывая в цепи стока ток.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
