Теория (стр. 13 из 16)
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).