Петров К.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты (2003) (1152094), страница 55
Текст из файла (страница 55)
С ростом и, „длина канала уменьшается, а напряжение на канале остается равным и„„поэтому напряженность поля в канале, а значит, и ток увеличиваются. Чем короче канал, тем больше относительное изменение тока при изменении напряжения и, „. Если на затвор подано отрицательное напряжение, то проводимость канала на начальном участке будет меньше, и характеристика проходит более полого, Кроме того, переход к режиму насыщения произойдет при меньшем значении напряжения и„„(см, уравнение (5.8)). Геометрическое место точек, соответствующих перекргятию канала при разных и, „и наступлению режима насыщения, на рис. 5.4, а показано пунктирной линией.
Рассмотрим управляющую характеристику (рис. 5.4, 6) при и, „= сопят. Обычно эта характеристика соответствует режиму насыщения, в котором ток 1, слабо зависит от напряжения и, „. Физически изменение тока 1, при изменении напряжения а, „обусловлено изменением толщины канала: чем больше отрицательное напряжение и, „, тем тоньше канал, меньше его проводимость и, соответственно, ток. Теоретически зависимость тока 1, от напряжения и, „в режиме насыщения определяется уравнением (5.19), которое для удобства расчетов обычно аппроксимируют квадратичной зависимостью: (5.21) Управляющая и выходные характеристики взаимосвязаны. Располагая семейством выходных характеристик, нетрудно построить управляющую характеристику путем переноса соответствующих точек из одной системы координат в другую, как это показано на рис. 5.4.
На статические характеристики влияет температура",что обусловлено зависимостью от температуры подвижности носителей заряда и контактной разности потенциалов в р-л-переходе. С ростом температуры подвижность носителей заряда в канале уменьшается, что ведет к снижению проводимости канала, то есть уменьшению тока стока, с другой стороны, с ростом температуры уменьшается контактная разность потенциалов, что влечет за собой расширение канала и увеличение тока.
5.1. Полевые транзисторы с п ааляющим -и-переходом Анализ показывает, что температурный коэффициент тока стока в режиме насы- щения, определяемый двумя этими факторами, можно представить в виде си, 2 1, йр„т ТК) ж с ю — сисс "— (5.22) Тс Т1 >Т1 сино. Н.в Этот ток можно определить, приравняв к нулю уравнение (5.22): 1=- — "" 1 10-з Температурный коэффициент тока у полевого транзистора меньше, чем у бипо- лярного транзистора, и обычно не превышает 0,2 Ж/'С.
(5.23) Дифференциальные параметры Ток стока зависит от напряжения на затворе и, и и напряжения стока и, „. По- этому выражение для полного дифференциала тока стока можно представить в виде дгс д; Н( = — сНи + — 'нги с д с-и д с-н ' с-и с — н (5.24) Первый член в правой части уравнения учитывает влияние температуры на кон- тактную разность потенциалов, второй член — на подвижность. Величина и оп- ределяется из выражения, аппроксимирующего температурную зависимость под- вижности в рабочем интервале температур; рТ" "- сопят.
Обычно для расчетов принимают т сс 2, а сар„/дТ = 2 мВ/'С. Из формулы (5.22) следует, что существует такое значение тока сгока 1„при ко- тором температурный коэффициент равен нулю (рис. 5.5). 2О2 Главай, Полевыетранзисторы В этом выражении частные производные, определяющие приращения тока при изменении соответствующих напряжений, можно рассматривать как дифферен- циальные параметры транзистора. Крутизна 5 = д1,/ди, „характеризует управляющее действие затвора. Ее измеря- ют в миллиамперах на вольт [мА/В1 и определяют по управляющей характерис- тике, как зто показано на рис. 5А, б, заменяя бесконечно малые приращения ко- нечными, то есть 5 = А(,/Ли, „.
Теоретически, крутизну можно определить, дифференцируя уравнение (5.21) и учитывая (5.18). Тогда (5.25) Из (5.25) следует, что крутизна обратно пропорциональна сопротивлению кана- ла, которое равно рб„ Н 2с(о (5.26) ди, „ и--~ аи *-" 1 =сопз1 с (5.27) Знак еминусэ в этой формуле учитывает, что положительному приращению ди, „, увеличивающему ток на величину Й„соответствует отрицательное приращение Следовательно, для получения высокой крутизны необходимо иметь канал с малой длиной Е„и большой шириной Е Увеличивать толщину канала д„и уменьшать удельное сопротивление р нецелесообразно, так как это ведет к увеличению отрицательного порогового напряжения (см. соотношение (5.3)).
Практически, длина канала б„составляет несколько микрометров, а его ширина — тысячи микрометров. Выходная проводимость б', = о1,/ Ли, „характеризует влияние напряжения стока на ток стока. Ее определяют по выходным характеристикам (см. рис, 5.4, а), заменяя бесконечно малые приращения конечными, то есть С; = А1,/ Ьи, „, где Л1, — изменение тока (вертикальный катет характерйстического треугольника), вызванное изменением напряжения Ли, „(горизонтальный катет характеристического треугольника). Величина выходной проводимости очень мала и обусловлена изменением длины канала при изменении напряжения стока.
Чем короче канал, тем больше относительное изменение его длины при одном и том же приращении Ли, „, следовательно, тем больше проводимость бк Часто вместо параметра 6; применяют обратную величину Я, = 1/г,. Этот параметр называется внутренним сопротивлением транзистора. Помимо рассмотренных параметров используют параметр, характеризующий сравнительное воздействие напряжений стока и затвора на ток стока Этот параметр называется коэффициентом усиления 1с Он равен отношению приращений напряжений стока и затвора, вызывающих одинаковые по величине и противоположные по знаку приращения тока стока: 5.2. Полевые транзисторы с управляющим переходом металл — полупроводник 293 пи, „, уменьшающее ток на ту же самую величину й„благодаря чему обеспечива- ется постоянство тока 1,.
Параметр р связан с параметрами Я и Яь Полный дифференциал тока стока, вы- раженный через дифференциальные параметры, равен й =ЯНи + — ви 1 и й с — н ' (5.28) Если й, = О, то Яи „+ — Ыи,„=О. 1 (5.29) Откуда получим ер с-н ви, „ (5.30) С учетом (5.27) получаем 5й, =р. (5.31) Полученное соотношение связывает между собой дифференциальные параметры полевого транзистора. 5.2.
Полевые транзисторы с управляющим переходом металл — полупроводник Полевые транзисторы с управляющим переходом металл — полупроводник (МЕП- транзисторы) находят применение в арсенид-галлиевых интегральных схемах, характеризующихся повышенным быстродействием, что обусловлено рядом преимуществ арсенида галлия по сравнению с кремнием. Арсенид галлия имеет более широкую запрещенную зону (ЛЕ, = 1,43 эВ), благодаря чему подложка может рассматриваться как диэлектрик (р 10'...10' Ом см).
Подвижность электронов в слабых электрических полях в арсениде галлия примерно в 5 раз выше, чем в кремнии (р 5 10э см'/В с), а скорость насыщения в сильных полях больше примерно в 2,5 раза (Ч„„2 10' см/с). По некоторым параметрам арсенид галлия хуже кремния. Так, у него низкая подвижность дырок и малое время жизни неосновных носителей заряда, что затрудняет разработку биполярных транзисторов. Слишком высокая плотность поверхностных состояний не позволяет создавать на его основе МДП-транзисторы. Простейшая структура арсенид-галлиевого МЕП-транзистора показана на рис. 5.6. Транзистор создается на подложке 1 из нелегированного арсенида галлия.
У поверхности создаются области истока 2 и стока 3 и'-типа, а также тонкий слой 4 и-типа яви Глава б. Полевмв транзисторы толщиной Н~ = 0,1...0,2 мкм с концентрацией примеси Ф, и 10" см з. На поверхность подложки (над слоем 4) наносят металлический электрод затвора 5 в виде сплава титан-вольфрам. Металлические электроды 6 и 7 из сплава золото-германий образуют омические контакты к областям истока и стока На поверхность подложки, не используемой для контактов, наносят слой диэлектрика 8. Металлический электрод затвора образует со слоем 4 выпрямляющий контакт-барьер Шотки. Толщина обедненного слоя 9 зависит от напряжения, подаваемого на затвор.
Проводящий канал формируется между обедненным слоем 9 и подложкой 1. Принцип действий МЕП-транзистора заключается в том, что при изменении напряжения на затворе изменяется толщина проводящего канала, а следовательно, его проводимость и ток стока, то есть принцип действия практически не отличается от принципа действия транзистора с управляющим р-и-переходом. Для МЕП-транзистора справедливы соотношения, выведенные в предыдушем разделе. Существуют лишь количественные различия. Рассмотрим некоторые из них.
Напряжение отсечки у МЕП-транзистора может быть как положительным, так и отрицательным. Оно определяется формулой (5.3): Например,приз~ =0,8Вг1.=10псм з,в=13,1иЫ,=О,2мкмполучаеми =-2В. При Ы~ = 0,1 мкм и той же концентрации примесей и = 0,08 В. Практически величина и арсенид-галлиевых транзисторов может. лежать в пределах от — 2,5 до +0,2 В. Если и < О, то при я, „= 0 канал является проводяшим, и такой транзистор называют нормально открытым. Если и > О, то при и, „= 0 канал перекрыт обедненным слоем, и транзистор называют нормально закрытым. На рис. 5.7 приведены управляющие характеристики нормально открытого (1) и нормально закрытого (2) транзисторов, а также входная характеристика (3), показывающая зависимость тока затвора от напряжения и, „. Напряжение, подаваемое на затвор транзистора„не должно превышать 0,6 В с тем, чтобы в цепи затвора ие появился нежелательный ток ззввора.
5.3. Полевые транзист ы с изоли ованным затвором а.в в 5.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором Полевые транзисторы с изолированным затвором отличаются от транзисторов с управляющим р-и-переходом тем, что у них затвор, выполненный в виде металлической пленки, изолирован от канала тонким слоем диэлектрика. В качестве диэлектрика обычно используют двуоксид кремния 810в Устройство и принцип действия Устройство транзистора с изолированным затвором и каналом л-типа показано на рис.
5.8. Глава б. Полевые траизист ы На подложке р-типа создают две сильнолегнрованные области л'-типа. Одна из этих областей является истоком, другая — стоком. Исток обычно соединяют с подложкой. Между истоком и стоком существует канал, который либо создается в процессе изготовления транзистора, либо индуцируется при подаче на затвор положительного напряжения.
Соответственно, различают две разновидности транзисторов с изолированным затвором: транзисторы со встроенным каналом и транзисторы с индуцированным каналом. Схематическое изображение транзисторов со встроенным каналом и-типа показано на рис. 5.9, а, а транзисторов с индуцированным каналом — на рис. 5.9, б.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
