Вольт-амперные характеристики полевых 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 x_о - диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф / см;

x_д - диэлектрическая проницаемость диэлектрика (для SiO₂  значение x_д= 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 S_мак 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 (r_и и r_с 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 U_зи=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 К_стат 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 (U_зи>0).

Приповерхностный слой обогащается носителями - электронами, образуя n-канал. Уровень напряжения на затворе, при котором появляется проводимость в канале, называется пороговым U_о (практически значения полного порогового напряжения лежат в пределах U_o = 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 U_зи » 2U_о).

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 U_отс теряет смысл, а более удобным будет понятие порогового напряжения U_о. Так как номинальный ток через транзистор с индуцированным каналом развивается при условии, если напряжение на затворе
U_зи » 2U_о, то и максимальная крутизна его достигается при U_зи » 2U_о;

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

Похожие работы

Преподавание социологической теории в Санкт-Петербургском государственном университете

Скачать

25366

1

0

кую и дидактическую функции с учетом ситуации в российской социологии. Направления фундаментального уровня различаются и систематизируются в концепции преподавания социологической теории на основе их существенной связи с различными решениями важнейших философских, теоретико-познавательных и мировоззренческих проблем, сформулированных в истории европейской социальной мысли относительно природы ...

Теория игр

Скачать

24554

3

7

... смешанными стратегиями игроков 1 и 2 называются такие наборы хо, уо соответственно, которые удовлетворяют равенству  Е (А, х, y) = Е (А, х, y) = Е (А, хо, уо). Величина Е (А, хо ,уо) называется при этом ценой игры и обозначается через u. Имеется и другое определение оптимальных смешанных стратегий: хо, уо называются оптимальными смешанными стратегиями соответственно игроков 1 и 2, если они ...

Теория вероятности и математическая статистика

Скачать

59066

6

49

... Доказать: По определению второй смешанной производной. Найдем по двумерной плотности одномерные плотности случайных величин X и Y. Т.к. полученное равенство верно для всех х, то подинтегральные выражение аналогично В математической теории вероятности вводится как базовая формула (1) ибо предлагается, что плотность вероятности как аналитическая функция может не существовать. Но т.к. в нашем ...

Роль теории дифференциальных уравнений в современной математике и ее приложениях

Скачать

32343

0

0

... была построена теория вложения функциональных пространств, которые в настоящее время носят название пространств Соболева. А.Н. Тихоновым была построена теория некорректных задач. Выдающийся вклад в современную теорию дифференциальных уравнений внесли российские математики Н.Н. Боголюбов, А.Н. Колмогоров, И.Г. Петровский, Л.С. Понтрягин, С.Л. Соболев, А.Н. Тихонов и другие. Влияние на развитие ...