Реферат: Теория

Напряжение на затворе, при котором перекрывается токопроводящий канал, называется напряжением отсечки Uотс. Если напряжение Uзи меньше Uотс и подано напряжение на участок сток-исток Uси, то через транзистор будет протекать ток.

Рассмотрим процесс получения статических стоковых (выходных) ВАХ канального транзистора.

С увеличением напряжения Uси растет обратное напряжение на участке сток-затвор, следовательно, ширина запрещенной зоны перехода будет увеличиваться в направлении от истока к стоку. Когда разность напряжений Uси - Uзи станет равной напряжению отсечки, прекращается прирост тока стока, несмотря на дальнейшее увеличение напряжения на стоке
(рис. 3.5). Такое состояние транзистора наступает в момент образования горловины канала, при этом ток стока называется током насыщения, а напряжение на участке сток-исток - напряжением насыщения . Это выражение является уравнением границы между крутой и пологой областями ВАХ.

Модуляцию поперечного сечения канала при увеличении напряжения на стоке и, как результат, образование горловины канала в транзисторе можно схематично представить рис. 3.4, а, б, в.

Рис. 3.4. Сечение канала транзистора с объемным каналом: а - ненасыщенный режим; б - на границе насыщения; в - насыщенный режим,

На рисунке: w - толщина канала; L - длина канала.

Напряжение насыщения Uсин - это такое «критическое» напряжение, при котором окончательно формируется «горловина» канала и ток стока при увеличении Uси не меняется. Не следует путать понятия области насыщения биполярного и полевого транзисторов: эти понятия полностью противоположны, так как насыщение биполярного транзистора есть состояние с малым напряжением Uкэ, а область насыщения полевого транзистора - это область больших напряжений Uси, в которой транзистор дает весь ток стока, который только может дать при данном напряжении на затворе.

Увеличение напряжения на стоке вызывает прирост тока стока, но при этом увеличивается обратное напряжение на переходе участка затвор-сток, что вызывает уже более заметное сужение канала и существенное увеличение его сопротивления и, таким образом, ток, протекающий через канал, порождает условия, при которых происходит ограничение его возрастания. Механизм насыщения скорости дрейфа позволяет получить совпадение теории и эксперимента; дело в том, что почти все падение напряжения сосредоточено в самой узкой части канала (верхней его части - горловине). В результате в этой области напряженность поля получается очень высокой, подвижность носителей быстро падает, скорость их движения достигает насыщения и плотность тока через канал перестает зависеть от напряжения.

Рис. 3.5. Семейство стоковых ВАХ: Iс = f(Uси) при Uзи = const

Если на затвор подать более отрицательное напряжение (случай с n-каналом), то сечение канала уменьшается, сопротивление увеличится и начальный участок новой ВАХ будет иметь наклон, соответствующий большему значению сопротивления. Выход транзистора на криволинейный участок и в область насыщения произойдет раньше, то есть при меньших значениях напряжения на стоке (точки E; D; В при Uзи < 0).

На крутых участках ВАХ ток стока является функцией двух напря-
жений - на стоке и на затворе, а на пологих участках - функцией только напряжения на затворе. В усилительной технике полевые транзисторы (и канальные, и МОП) обычно работают на пологих участках ВАХ, поскольку этим участкам соответствуют наименьшие нелинейные искажения и оптимальные значения дифференциальных параметров - крутизны, внутреннего сопротивления и собственного коэффициента усиления. На стоковых ВАХ (рис. 3.5) пунктирной линией, соединяющей точки E, D, B, обозначена граница между пологими и крутыми участками ВАХ. Такое резкое разделение крутых и пологих участков ВАХ, разумеется, носит условный характер, но в инженерной практике позволяет пользоваться наиболее удобной аппроксимацией ВАХ, так как очень точные выражения ВАХ оказываются достаточно сложными (особенно для МОП-транзисторов).

3.2.1. Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов

с управляемым p-n-переходом для инженерных расчетов

При проектировании усилительных схем на полевых канальных транзисторах достаточную для инженерных расчетов точность дают следующие аппроксимации вольт-амперных характеристик.

При работе в пологой области ВАХ ток стока, при заданном напряжении на затворе, определяется из выражения

                                                                     (3.1)

где b - удельная крутизна канального транзистора (мА/В2).

                                                                        (3.2)

Примечание.

В отличии от обычного понятия крутизны, которая характеризует управляющие   свойства   затвора,   удельная   крутизна  определяется   геометрией транзистора

мА / В2

где xо - диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф / см;

xд  - диэлектрическая проницаемость диэлектрика (для SiO2  значение xд= 3,5);

m - приповерхностная подвижность носителей ( она в 2-3 раза меньше объемной), см2 / В´с;

L - длина канала;

Z - ширина затвора;

a - расстояние от «дна» n-слоя до металлургической границы (мкм).

Квадратичная аппроксимация тока стока на пологих участках (3.1) отражает линейную зависимось крутизны от напряжения на затворе, что является одной из отличительных черт полевых транзисторов. Крутизна транзистора в пологой области определяется выражением

                                                                    (3.3)

Максимальное значение крутизны Sмак для канального транзистора получается при напряжении на затворе, равном нулю:

                                                (3.4)

Если при расчетах усилительных схем более удобной окажется зависимость крутизны от тока стока , а не от напряжения на затворе, то, объеденив формулы (3.1 и 3.3), получим

                                                           (3.5)

Выражение (3.1) по существу описывает стокозатворную характе-
ристику.

Примечание. Разница между эспериментальными данными и расчетами, выполненными по формулам (3.1 и 3.3), не превышает 5%, что объясняется (в области малых напряжений на затворе) влиянием внутренней отрицательной обратной связи, проявляющейся на объемных сопротивлениях истока и стока (rи и rс соответственно). В большинстве случаев эти сопротивления при инженерных расчетах не учитываются (диапазон его изменения  от 30 до 800 Ом).

При работе на крутом участке ВАХ ток стока

                                                             (3.6)

Кроме рассмотренных параметров канального транзистора заслуживают внимания малосигнальные статические параметры:

а) дифференциальное (внутреннее) сопротивление канала характеризуется наклоном характеристик при полностью открытом канале, когда Uзи=0.

Дифференциальное сопротивление канала - это фактически выходное сопротивление транзистора (определяется в режиме насыщения);

Значение этого параметра особенно важно для случаев применения полевых транзисторов в схемах аналоговых коммутаторов и модуляторов или в качестве регулируемого сопротивления; во всех этих случаях транзистор работает в крутой области ВАХ;

б) статический коэффициент усиления по напряжению

Коэффициент Кстат показывает, во сколько раз управляющие свойства затвора сильнее, чем у стока. Знак минус говорит лишь о том, что для поддержания постоянного тока через транзистор напряжения на затворе и на стоке должны быть противоположными по знаку;

в) статическое сопротивление транзистора по постоянной составляющей тока, Ом (определяется в рабочей точке по ВАХ);

г) входное сопротивление между затвором и истоком (определяется при максимально допустимом напряжении между этими электродами):

Входное сопротивление канального транзистора определяется обратным током p-n-перехода и составляет не более 1011 Ом.

Основным достоинством транзисторов с объемным каналом перед МОП-транзисторами является почти полное отсутствие шумов и стабильность характеристик во времени. Единственным типом шума у них является тепловой шум.

3.3. Полевые МДП (МОП)-транзисторы с

изолированным затвором

М - металл, П - полупроводник.

Д(O) - диэлектрик (в современных интегральных схемах в качестве диэлектрика используется окисел кремния  SiO2, отсюда и название - МОП).

В МОП-транзисторах затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика (0,2-0,3мкм).

В основе классификации МОП-транзисторов лежат две конструктивные особенности - индуцированный канал и встроенный канал (рис. 3.6 и 3.7 соответственно).

3.2.1. Принцип действия, статические стокозатворные ВАХ

МОП-транзисторов с изолированным затвором

В качестве примера рассмотрим работу полевого МОП-транзистора с «n»-каналом, выполненного на основе кремния, у которого роль диэлектрика выполняет слой SiO2; главная особенность этого слоя состоит в том , что он всегда содержит примеси донорного типа (натрий, калий, водород). Примеси сосредоточены вблизи границы с кремнием, в результате чего в пленке SiO2 образуется тонкий слой положительно заряженных донорных атомов. Отданные ими электроны переходят в приповерхностный слой кремния. Если при этом используется подложка n-типа, то эти электроны создают обогащенный слой, что препятствует образованию p-канала, поэтому у транзисторов с p-каналом требуется большее пороговое напряжение, чем при n-канале.

Рис. 3.6. Структура МОП-транзистора с индуцированным n-каналом

Рис. 3.7. Структура МОП-транзистора со встроенным n-каналом

Имея такое преимущество и, кроме того, являясь более быстродействующими (скорость движения электронов гораздо больше, чем дырок), МОП-транзисторы с n-каналом получили большее распространение.

Как и в канальном у МОП-транзистора управляющим электродом является затвор. Ток в цепи стока будет зависеть от режима, который задан по затвору

1-й режим. Затвор соединен с истоком (Uзи=0).

Ток в цепи стока будет ничтожно мал, так как при заданных условиях между стоком и истоком действуют два встречно включенных p-n+-перехода, и канал фактически отсутствует.

2-й режим. На затвор подано отрицательное напряжение (Uзи < 0).

Приповерхностный слой обогащается дырками, подтянутыми из подложки полем затвора. Тока в цепи стока по-прежнему не будет.

3-й режим. На затвор подано положительное напряжение (Uзи>0).

Приповерхностный слой обогащается носителями - электронами, образуя n-канал. Уровень напряжения на затворе, при котором появляется проводимость в канале, называется пороговым Uо (практически значения полного порогового напряжения лежат в пределах Uo = 0,5-3,5B. Дальнейшее увеличение положительного напряжения на затворе вызывает рост тока во внешней цепи; ток в цепи стока достигает своего номинального значения при напряжении на затворе примерно равном удвоенному пороговому напряжению (при Uзи » 2Uо).

Заключение по режимам:

режим третий является рабочим;

канал, отсутствующий в равновесном состоянии (при отсутствии напряжения на затворе) и образующийся под действием внешнего напряжения (в данном случае - положительного), называется индуцированным
(рис. 3.6). Длина канала равна расстоянию между стоком и истоком (L), а ширина - протяженности слоев стока и истока (Z). Толщина индуцированного канала практически неизменна и составляет 1-2 нм, поэтому модуляция его проводимости возможна лишь за счет изменения концентрации носителей, подтянутых в канал из подложки. Транзисторы с индуцированным n-каналом работают только при положительной полярности напряжения на затворе, то есть в режиме обогащения канала (рис. 3.8, а);

для полевого транзистора с индуцированным каналом параметр напряжения отсечки Uотс  теряет смысл, а более удобным будет понятие порогового напряжения Uо. Так как номинальный ток через транзистор с индуцированным каналом развивается при условии, если напряжение на затворе
Uзи » 2Uо, то и максимальная крутизна его достигается при Uзи » 2Uо;

если концентрация электронов, поступившая из диэлектрика, очень высокая, то в подложке p-типа между стоком и истоком образуется n-канал, но он возникает при Uзи = 0, следовательно, такой канал уже нельзя называть индуцированным, и транзистор в этом случае принято называть МОП-транзистором со встроенным каналом (встроенным заранее). Технологически встроенный канал получают с помощью ионного легирования в виде тонкого приповерхностного слоя. Такие транзисторы работают при обеих полярностях напряжения на затворе, то есть в режиме обогащения и обеднения канала (рис. 3.8, б);

подложка МОП-транзисторов делается из материала с высоким удельным сопротивлением - для облегчения образования канала и увеличения пробивного напряжения переходов стока и истока;

механизм работы МОП-транзисторов с n- и p-каналами одинаков, а принципиальная разница в свойствах дана выше;

сочетание МОП-транзисторов с n- и p-каналами получило название комплементарных пар, или дополняющих транзисторов (рис. 3.9); при таком включении МОП-транзисторы работают в режиме малого потребления мощности, так как при любой полярности входного сигнала один из транзисторов всегда закрыт и в цепи течет лишь ток неосновных носителей.

Рис. 3.9. Комплементарная пара на МОП-транзисторах

3.3.2. Стоковые характеристики и параметры МОП-транзисторов

При отсутствии напряжения на стоке (Uси = 0) тока в канале нет: поле в диэлектрике однородное и поперечное сечение канала одинаково по всей его длине. По мере увеличения Uси увеличивается ток стока, меняется  структура канала, так как разность потенциалов между затвором и поверхностью в направлении стока начинает уменьшаться, и тогда, когда она станет равной нулю, сформируется горловина канала. Напряжение на стоке при этом называется напряжением насыщения Uси.н, а ток, соответствующий ему, - током насыщения (Iсн):

.                                    (3.7)

Дальнейшее изменение напряжения на стоке почти не вызывает прироста тока стока. Таким образом, статическая стоковая характеристика МОП-транзистора при любом типе канала, как и у транзистора с управляемым p-n-переходом, состоит из крутого и пологого участков (рис. 3.10, а, б).

Рис. 3.10. Стоковые ВАХ МОП-транзистора: а - с индуцированным каналом; б  - со встроенным каналом

В пределах крутого участка ток стока является функцией двух напряжений (Uзи  и Uси), а на пологих - функцией одного (напряжения на затворе Uзи). Крутые участки статических стоковых ВАХ используются в импульсном режиме, а пологие - в усилительном.

Использование в импульсном режиме крутых участков ВАХ диктуется необходимостью получения возможно малого остаточного напряжения на открытом транзисторе.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9