Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 20
Текст из файла (страница 20)
МЛП-транзисторы (рис. 4.6, б). Рост напряжения У,„сопровождается увеличением ширины стокового перехода ЛЬ и соответственно уменьшением длины канала Г. При этом возрастает удельная крутизна Ь, а вместе с нею и ток стока 1, Внутреннее сопротивление равно 29Ф (4.
20) Полагаясь = 101э см э, У, = 4 В, 1, = 1 мА, Ь= 10 мкм, получаем г, = 100 кОм. Перемножив (4.20) и (4.196), получим коэффициент усиления й, Он не зависит от длины канала; его типичные значения составляют 50-200 (в зависимости от ширины канала 2). Выше было отмечено, что МДП-транзистор может управляться не только напряжением затвора, но и напряжением подложки.
Дифференцируя (4.15) по ~ У„„~, получаем крутизну по подложке: (4. 21) 31+и Знак минус говорит о том, что ток 1, уменьшается с увеличением напряжения ~У„„~. Дифференцируя (4.15) по У,„, получаем крутизну по затвору: (4.22) Как видим, наличие напряжения ~ У„„~ приводит к уменьшению крутизны Я,, Отношение крутизны Я„и Я, находится в прямой зависимости от коэффициента ц, т.е.
в конечном счете определяется толШиной диэлектрика и концентрацией примеси в подложке. Обычно )Я„)< Я,. В любом случае предпочтительно управление по затвору, потому что при этом входное сопротивление, определяемое диэлектриком, несравненно больше (при управлении по подложке входное сопротивление определяется обратным током истокового р-п-перехода). Глава 4. Уиииоляриазе траизисторм 112 В заключение отметим, что рассматривавшееся во всех предыдущих разделах включение МДП-транзистора с общим истоком ОИ (рис 4.9, а) — наиболее распространенное, но не единственно возможное. Иногда используется включение с общим затвором 03 (рис. 4.9, б). Оно характерно весьма низким входным сопротивлением (близким к величине 1/8) и потому находит применение только в некоторых специальных схемах. 1, 1„ 1, С И И а) 3 о) Рис.
4.9. Включеиие МДП-траизистора с общим истоком (а) и с общим затвором (6) Стабильность параметров. При заданных напряжениях на затворе и стоке ток стока зависит от температуры. Эта зависимость проявляется через параметры Ь и (/о. Функция Ь(Т) обусловлена температурной зависимостью подвижности носителей, а функция П (Т) — температурной зависимостью уровня Ферми (см. (4.3б), где ср, =2срг].
С ростом температуры и удельная крутизна, и пороговое напряжение уменьшаются, причем уменьшение этих параметров влияет на ток в противоположных направлениях„см. (4.8) и (4.13). Существует такое значение тока 1„при котором влияния зависимостей Ь(Т) и Ц,(Т) уравновешиваются. Это стабильное значение называют нритическим током. Наличие критического тока — важная отличительная черта МДП-транзисторов, она обеспечивает возможность температурной стабилизации схем простейшим путем — выбором рабочего тока. Из условия сП,/с)Т = 0 (с учетом производных дЬ/дТ и д(/о/дТ) можно получить напряжение на затворе, соответствующее критическому току: Узвар (/о =(О 8 2~4) В (4.23) (минимальное значение соответствует концентрации примеси в подложке 10)з см з, максимальное — концентрации 10)е см з).
Обычно критический ток в 5 — 10 раз меньше номинального, определяемого формулой (4. 9). 4.2. МДП-трав»яст«ры В диапазоне 1, > 1, «р (в частности, при номинальном токе) температурный коэффициент тока положительный, а в диапазоне 1, < 1, „(микрорежим) — отрицательный. Температурную нестабильность тока принято характеризовать не приращением тока б1,, а эквивалентным приращением ЬУ,«, которое получается из очевидного соотношения; ЛУ,„= Ы,/Я, Для токов, близких к критическому, характерны температурные чувствительности 10,6 мВ/'С, для «сверхкритических» токов они составляют +(8-10) мВ/'С, а для «субкритических» — (4-6) мВ/'С. Крутизна МДП-транзистора зависит от температуры через те же параметры Ь и Уэ, что и ток.
Поэтому наряду с понятием критического тока существует понятие крив»ической круп»изньб для которой влияния зависимостей Ь(Т) и Уз(Т) уравновешиваются. Критическая крутизна получается при токе, меньшем критического. Тот факт, что главная рабочая часть МДП-транзистора— канал — граничит непосредственно с инородной средой — диэлектриком, оказывает значительное влияние на стабильность параметров.
Главное проявление нестабильности состоит в изменениях порогового напряжения. Эти изменения обусловлены в первую очередь изменениями равновесного поверхностного заряда 9е, [см. (4.3а)1. При протекании тока неизбежно происходит обмен электронами между каналом и ловушками, имеющимися в диэлектрической пленке. Важным следствием такого обмена являются флуктуации тока — одна из главных составляющих собственных шумов транзистора. Эта составляющая относится к категории избыточных шумов, т.е.
шумов не неизбежных, обусловленных не дискретной структурой потока носителей, а «привходящими» обстоятельствами, в данном случае — наличием близлежащего диэлектрика. Повышенный уровень собственных шумов — один из недостатков МДП-транзисторов. Переходные и частотные характеристики. Малосигнальная эквивалентная схема МДП-транзистора показана в общем виде ва рис. 4.10, а. Поскольку подразумевается работа транзистора на пологих участках ВАХ, в качестве сопротивления канала использована величина г,. Элементами, отражающими усилительную способность транзистора, являются источники тока Я,У,„и З,У „. Сопротивления В,„и А„— это сопротивления диэлектрика затвора: ими обычно пренебрегают, так как они Глава 4.
Увиполярвьле транзисторы 114 имеют значения 101з — 1014 Ом и более. Сопротивления В л и Вас — это обратные сопротивления р — и-переходов истока и стока; их значения составляют 10)с-10" Ом. Емкости Сак и ф— это барьерные емкости тех же переходов; их значения зависят прежде всего от площадей истока и стока.
Если„например, размеры обоих этих электродов составляют 20х40 мкмз, то при удельной емкости 150 пФ/ммз получаем С,„= С„= 0,12 пФ. Наконец, емкости С,к и ф— это емкости металлического электрода затвора относительно слоев истока и стока. 1 1 ! С,-' * 1 б) Рис. 4.10. Малоситиальиые эквивалентные схемы МДП.транзистора: о — полная; б — упрощенная при У - О В том наиболее распространенном случае, когда исток соединен с подложкой, источник тока Я,У,„отсутствует, а сопротивление В„и емкость С,„оказываются закороченными.
Если, кроме того, пренебречь сопротивлениями диэлектрика В,к и Ваы получаем для данного случая эквивалентную схему, показанную на рис. 4.10, б (индекс «з» у крутизны для простоты опущен). Эта схема служит основой большинства практических расчетов. 3 С. Происхождение емкостей С,„и С показано на рис. 4.11. Они обусловлеИсток и' о+ Сток ны так называемым перекрытием об- ластей истока и стока затвором (ка- р ротко — перекрытием затвора). Име- Озлеоти перекрытия ется в виду, что по технологическим причинам часто не удается располоРис. 4.11.
Перекрытие патио- жить электрод затвора точно между ра' емкости перекрытия слоями и+, как показано на идеализи- рованной структуре (рис. 4.2). Тогда между краями затвора и этими слоями образуются паразитные 4.2. ЙЩП-травзисторы емкости С и С„. Обычно эти емкости в несколько раз меньше барьерных, но их роль (особенно емкости С ) весьма существенна. Емкость между затвором и каналом (С,) на рис. 4.10 не показана, так как вносимая ею инерционность отражена комплексным характером крутизны (см. ниже).
Инерционность МДП-транзисторов по отношению к быстрым изменениям управляющего напряжения У,„обусловлена двумя факторами: перезарядом емкости затвора С, и перезарядом межэлектродных емкостей. Первый фактор можно пояснить следующим образом. Скачок напряжения У,„вызывает изменение поля в диэлектрике вблизи истока. До тех пор, пока это изменение не распространится до стока, ток 1, остается неизменным. Время распространения определяется скоростью заряда емкости С, через сопротивление канала. Второй фактор связан с тем, что если даже ток 1, возрастает скачком, то напряжение У,, а значит, и ток во внешней цепи, будут нарастать плавно — по мере перезаряда межэлектродных емкостей. Скорость этого перезаряда зависит от внешних сопротивлений, т.е.
не определяется свойствами собственно транзистора. Однако при прочих равных условиях она тем больше, чем меньше межэлектродные емкости. В этом смысле значения емкостей транзистора являются показателем его быстродействия. Из сказанного ясно, что относительная роль обоих инерционных факторов в принципе неоднозначна и во многом зависит от схемы. Вместе с тем ясно, что первый фактор (время заряда емкости С,) является лимитирующим: он определяет предельное быстродействие МДП-транзистора в режиме короткого замыкания цепи стока (когда влияние межэлектродных емкостей отсутствует). Цепь затвора, строго говоря, представляет собой систему с распределенными параметрами. В инженерной практике целесообразно аппроксимировать ее простой ВС-цепью в виде емкости затвора С, и сопротивления канала Во.
Сопротивление канала выражается формулой (4.17), а емкость затвора легко записать, зная площадь затвора (ЯЬ) и его удельную емкость (4.1): с,= п. зос (4.24) Глава 4. Уалиоллраме транзисторы 116 Заряд и разряд ЯС-цепи описываются простейшей экспоненциальной функцией. Такой же функцией будет описываться крутизна транзистора, поскольку она характеризует изменения тока 1, при заданном скачке напряжения У,в Следовательно, в операторной форме крутизну можно записать следующим образом: Я(з) = Я 1+ зтз (4.25) где тз — -СеВр — постоянная времени крутизны. В комплекс- ной форме крутизна будет иметь вид Я 1+ )в/вз (4.26) где вз = 1/тз — граничная частота крутизны. Модуль и фаза выражения (4.26) будут соответственно амплитудно-частотной и фаза-частотной характеристиками крутизны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
