Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Постоянную времени тз легко получить, умножая емкость затвора (4.24) на сопротивление канала (4.17). С учетом (4.7) получаем: г Р (Пса (~о ) (4.27) 4.3. Полевые транзисторы Идеализированная структура современного полевого транзистора показана на рис. 4.12. Здесь металлический контакт вместе со слоем р+ играет роль затвора, но затвор отделен от полупроводника и-типа не диэлектриком, как в случае МДП-тран- Например, если Ь = 10 мкм, р = 500 смг/В с и У, — Уо = 4 В, то тз = 0,5 нс. Тогда Гз =(1/ 2х)вз = 300 МГц. Из выражения (4.27) очевидна предпочтительность и-канала перед р-каналом (большая подвижность р), а также определяющая роль длины канала. У современных МДП-транзисторов удается делать длину канала менее 1 мкм. При этом тз <0,01 но и Гз >15 ГГц. Такие значения параметров часто позволяют пренебречь инерционностью крутизны и считать, что инерционность МДП-транзистора обусловлена тояько мелсзлектродными и паразитными емкостями.
4.3. Полевые траивпеторы зисторов, а обедненным слоем р-и-перехода. На переход задается обратное напряжение. Вообще говоря, р+-слой не обязателен: обедненный слой может иметь место и при непосредственном контакте ме- 'ь з с, У Оесйлсииый г слои с Слой истока Слой стока талла с полупроводником. Рпе. 4лз. Структура полевого Транзисторы с такой структурой называют полевыми транзисторами с барьером Шогптки. Основные свойства обеих разновидностей одинаковы, поэтому ниже рассматриваются только транзисторы с р — п-переходом, анализ которых более нагляден. Ниже будет показано„что для нормальной работы полевого транзистора толщина рабочего слоя под затвором (величина а на рис. 4.12) должна составлять не более нескольких микрон.
Кристаллы полупроводника такой толщины оказываются непригодными из-за механической хрупкости. Поэтому структуру на рис. 4.12 следует понимать как тонкий рабочий п-слой, расположенный на более толстой «несущей» пластине, которая на рисунке не показана. Принцип действия. На р-л-переход затвора задается обратное напряжение и глубина обедненного слоя меняется. Чем больше обратное напряжение„тем глубже обедненный слой и тем соответственно меньше толщина канала ис. Таким образом, меняя обратное напряжение на затворе, можно менять поперечное сечение, а значит, и сопротивление канала. При наличии напряжения на стоке будет меняться ток канала, т.е.
выходной ток транзистора. Усиление мощности обеспечивается малой величиной входного тока. У полевых транзисторов входным током является обратный ток р — и-перехода затвора. Для кремниевых р-и-переходов небольшой площади обратный ток составляет до 10 "1 А и менее. Определим зависимость толщины и сопротивления канала от управляющего напряжения на затворе при нулевом напряжении на стоке. Толщину канала согласно рис. 4.12 можно записать следующим образом: Глава 4.
Уиииеляриые трав«и«тары 118 где а — расстояние от «дна» и-слоя до металлургической гра- ницы перехода. Пренебрегая равновесной высотой потенциаль- ного барьера, получаем зависимость толщины канала от напря- жения на затворе: 2зоз(/ ю=о— дМ (4.28) Под (/»а здесь и ниже понимается модуль напряжения на затворе. Из условия и =0 легко найти напряжение отсечки, прн котором обедненный слой перекрывает весь канал и ток в канале прекращается: (/»е =(~Ф'/2зоз)о . (4,29) (4. 30) Такая толщина сохраняется по всей длине канала. Сопротивление канала в атом случае равно л«о = — 1 (4.31) где Я вЂ” ширина канала (см.
рис. 4.12); р — удельное сопротивление и-слоя. При р = 1 Ом см, а = 2 мкм и (/ = 0 получается минимальное значение Лс„„„= 0,5 кОм. При «/,„/(/ = 0,5 сопротивление Во возрастает до 1,8 кОм. Например, если Ж = 5 10 см з и а =. 2 мкм, то (/„= 12,5 В. С учетом высоты равновесного барьера напряжение отсечки будет несколько меньше. Как видим, толщина рабочего слоя и концентрация примеси в нем должны быть достаточно жалы. В противном случае напряжение отсечки будет настолько большим, что полное управление током (начиная с нулевого значения) окажется практически невозможным.
Используя величину с/„, толщину канала можно записать в следующей форме: 4зф. Полевые транзисторы Статические характеристики. Если подано на ряжение У то через канал протекает ток и позер- и С хность канала, прилегающая к обедненному слою„уже не будет эквипотенциальной. Соответственно напряжение на р-л-переходе будет 1 меняться вдоль оси х, возрастая вбли- ) зи стока. Значит, и ширина обедненного слоя перехода будет увеличиваться в направлении от истока к стоку (рис.
4.13, а). Когда разность потенциалов У,„— Увл (где Узя < ))) сделается равной напряжению отсечки Увм толщина канала вблизи стока станет равной нулю, т.е. образуется «горловина» канала (рис. 4.13, б). В отличие рис. «.1з. Сечение канала от случая У,„= У„это не приводит к волево»о тган'и"ога в н'насыщенном режиме (а), отсечке тока, так как само образова- на т вниде ыщения ~с) ние «горловины» есть следствие уве- и в режиме насыщения (е) личения тока.
Вместо отсечки тока происходит отсечка его приращений, т.е. насыщение тока. Образование «горловины» канала знакомо по МДП-транзисторам. В дальнейшем, когда Уел — Узл >У„, «горловина» перемещается к истоку, а длина канала несколько уменьшается (рис. 4.13, е). Зти явления также свойственны МДП-транзисторам. Из приведенного описания следует, что напряжение насыщения для полевых транзисторов выражается следующим образом: в) Уся = Узо Уза ° 'де Узя (4.
32) Семейство стоковых ВАХ (рис. 4.14, а) имеет сходство с аналогичным семейством для МДП-транзисторов (рис. 4 7, а). Однако с ростом напряжения на затворе (по модулю) ток стока в данном случае не возрастает, а уменьшается. Можно сказать, что полевому транзистору свойствен режим обеднения, подобно МДП-транзистору со встроенным каналом. Семейство стоко-затворных ВАХ (рис.
4.14, б) отличается от аналогичного семейства МДП-транзисторов (рис. 4Л, б) прежде Глава 4. Унипонирньге транзисторы 1,. мА и,.=-з,ев 1,. мА )О )О о 4 8 12 11м В 11м  — 8 -6 -4 — 2 о а) б) Рис. 4.14. Статические характеристики полевого транзистора: е — выходные; б — передаточные всего тем, что ток протекает при нулевом напряжении на затворе. условно можно сказать, что напряжение отсечки у полевого транзистора эквивалентно отрицательному пороговому напряжению у МДП-транзистора.
Важная особенность ВАХ на рис. 4.14, б состоит также в том, что напряжение на затворе может иметь только одну полярность, в данном случае — отрицательную. В противном случае напряжение на р-и-переходе будет прямым, начнется инжекция неосновных носителей и транзистор перестанет быть униполярным прибором. Заметим, что у МДП-транзисторов со встроенным каналом (рис. 4.3), которые во многом аналогичны полевым транзисторам, ограничение на полярность управляющего напряжения не имеет места, так как затвор отделен от канала диэлектриком.
Аналитические выражения для ВАХ полевого транзистора: на крутом участке на пологом участке 1, = — (г' — (1,„1 —— (4. 34) где Ве„,„— сопротивление канала при 11,„= О (см. (4.31Ц 121 Полевые трвизветоры Выражение (4.34) хорошо аппроксимируется квадратичной зависимостью, аналогичной зависимости (4.8) для МДП-транзисторов: 2 с ~2Ь( за ~зи) (4. 35) Здесь коэффициент Ь, аналогичный удельной крутизне МДП-транзистора, имеет вид: (4.36) Ь =4зсз)зЯЗа7.). Например, при р = 1500 смз/В. с, Я/7 = 10 и а = 2 мкм получаем Ь = 0,12 мА~В2. Заметим, что в этом примере мы использовали значение подвижности, свойственное объему полупроводника, так как у полевых транзисторов канал не граничит с поверхностью. Полевым транзисторам, как и МДП-транзисторам, свойственно понятие критического тока, при котором зависимость тока от температуры в принципе отсутствует.
У полевых транзисторов наличие критического тока обусловлено противоположным влиянием функций Ь(Т) и (7 (Т). Функция Ь(Т) связана с температурной зависимостью подвижности, как и у МДП-транзисторов. Что касается функции П (Т), то из (4.29) она не вытекает. Однако, если при выводе выражения (4.29) использовать более точную зависимость, то в него войдет равновесная высота барьера в р — и-переходе; последняя зависит от температуры. Именно с учетом этой зависимости и получается величина критического тока. Из условия сП,(т)Т = 0 можно найти напряжение на затворе, соответствующее критическому току: (4.37) Уза Узвар -065В [ср. с (4.23)).
Обычно значения критического тока лежат в области микрорежима. Малосигнальные параметры и эквивалентная схема. Если воспользоваться аппроксимацией (4.35), то на пологом участке крутизна будет равна (4. 38) Я =Ь(ӄ— У,„), а зависимость крутизны от тока выражается формулой Я =,/2Ы,. Глава 4. Укиполлриые транзисторы 122 (4.39а) Ь Яс =Р—. Я~ аЯ (4.39б) Соответственно средняя постоянная времени крутизны будет иметь вид: тз =42сзрЬ!а .
2 2 (4.40) Эту величину можно привести к такой же форме (4.27), как у МДП-транзисторов. Для этого подставим в (4.40) значение аз из (4.29) и учтем соотношение д)7Р =и = 1/р; тогда Дифференциальное сопротивление стока г, обусловлено той же причиной (модуляцией длины канала) и имеет те же значения, что и у МДП-транзисторов [см. (4.20)1. Малосигнальная эквивалентная схема полевого транзистора показана на рис. 4.15. Элементы этой схемы в сущности те же, что и у МДП-транзистора (см. рис. 4.10): г, — дифференциальное сопротивление канала на пологом с„ участке ВАХ; 8У,„— источник тока, отражающий усилительные свойства транзистора; Ван и Яас— С,„ обратные сопротивления р — л-перехода; Саа и ф— барьерные емкости боковых частей р — и-перехода (рис. 4.12).
Рис. 4.15. Малосигнальнал Инерционность изменений аквивалентнал сиена нолевого тока, как н у МДП-транзисторов, транзистора характеризуется постоянной времени крутизны тз. Этот параметр также представляет собой произведение сопротивления канала на емкость затвор — канал. Поскольку сечения канала и обедненного слоя разные на разных участках (см. рис, 4.13), воспользуемся средними значениями и и с. А именно, примем шср — — 1с =)зга. Тогда средняя емкость и среднее сопротивление ср ср 2 канала запишутся следующим образом: 4.3. Полевые траязясторы Таким образом, в принципе переходные и частотные характеристики полевых и МДП-транзисторов могут бьсть одинаковьсми.
Однако практически длину канала у полевых транзисторов не удается сделать такой же малой, как у современных МДП-транзисторов. Поэтому в настоящее время быстродействие полевых транзисторов значительно ниже. Естественно, что полевые транзисторы уступают МДП-транзисторам и по величине входного сопротивления: оно определяется обратным током р — и-перехода и обычно не превышает 10м Ом. С ростом температуры это сопротивление быстро уменьшается и на границе рабочего диапазона (+12б 'С) может дойти до 10г Ом и менее. Важными достоинствами полевых транзисторов являют ся высокая стабильность характеристик во времени и малый уровень собственных шумов. Причина этих достоинств в том, что канал отделен от поверхности обедненным слоем, играющим роль диэлектрика. В результате на границе канала с таким ь диэлектриком ь отсутствуют дефекты кристаллической решетки, поверхностные каналы и загрязнения — все то, что у МДП-транзисторов является причиной нестабильности и шумовых флуктуаций.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
