Материал: Tverdotila_elektronika

Частотні властивості ПТКП визначаються здебільшого ділянкою затвор - витік (фрагмент схеми (рис. 4.22) з елементами , , ). Вхідна змінна напруга розподіляється між ємністю і середнім опором каналу . Безпосередньою клерувальною напругою, під дією якої змінюються товщина – переходу і ширина каналу, є напруга, прикладена до ємності . При збільшенні частоти реактивний опір ємності зменшується, що приводить до перерозподілу напруги на елементах та і до зменшення керувальної напруги . Отже, при збільшенні частоти вхідної напруги підсилювальний ефект транзистора зменшується. Частоту, на якій , називають граничною частотою ПТКП (частотою затвора).

Тобто

. (4.30)

З формули (4.30) випливає, що гранична частота ПТКП залежить від напруги зміщення , оскільки від цієї напруги залежить товщина – переходу, тобто і .

Крім швидкості перезарядження ємності (тобто сталої часу кола затвора ==1/), на частотні властивості ПТКП впливає час прольоту носіїв заряду через канал. Якщо час прольоту виявиться сумірним з періодом вхідного сигналу, то зміна струму стоку не встигає слідкувати за зміною керуювальної напруги на затворі, і динамічна крутизна ПТ зменшується. Але в реальних ПТКП довжина каналу дорівнює 5-10 мкм. Тому час прольоту виявляється значно меншим від сталої часу затвора і його можна не враховувати.

Граничну частоту МДН - транзисторів визначають за формулою

або , (4.31)

де - крутизна приладу.

Для МДН - транзистора, у якого = 5 пФ і = 5 мА/В, гранична частота =160 МГц.

4.5 Потужні польові транзистори

Потужні польові транзистори в ключовому і підсилювальному режимах повинні забезпечувати високий ККД. У ключовому режимі треба намагатися, щоб опір транзистора у відкритому стані був мінімальним, тоді втрати потужності в приладі також будуть мінімальними. У підсилювальному режимі великий опір каналу ПТ приводить до зменшення крутизни за рахунок перегріву, а також із причини виникнення негативного зворотного зв’язку через опір витоку .

Тому головною вимогою до потужних ПТ є зниження опору каналу. З цією метою у приладі використовують велику кількість паралельно з’єднаних каналів або створюють короткий канал завдяки переходу від традиційних горизонтальних (планарних) структур до вертикальних, у яких напрям струму перпендикулярний до поверхні струму.

Необхідно пропускати великі струми і розсіювати значні потужності, що робить необхідним збільшення площі структури потужних ПТ; це викликає збільшення паразитних ємностей і, як наслідок, зменшення швидкодії ПТ. Тому створення потужного і разом з тим швидкодіючого (високочастотного) ПТ – це важлива проблема напівпровідникової електроніки.

Потужні мдн – транзистори

Такі транзистори мають короткий канал, який забезпечує низький опір відкритого транзистора у ключовому режимі й високу крутизну у підсилювальному режимі (рис. 4.23).

У цих приладах багатоканальність поєднується з вертикальністю структури. - подібні затвори таких ПТ сприяють збільшенню багатоканальності приладу, оскільки кожний затвор “обслуговує” два витоки і два канали.

Рисунок 4.23 – Фрагмент структури багатоканального потужного МДН – транзистора

Основні особливості приладу (рис. 4.23) – це зменшення довжини каналу і використання високоомної стокової - області, через яку відбувається дрейф носіїв заряду струму стоку. Просте укорочення каналу призвело б до зниження пробивної напруги між стоком і затвором. Уведення додаткової дрейфової області дозволяє зберегти значення пробивної напруги транзистора.

Транзистори зі статичною індукцією

Це різновид потужних ПТКП зі структурою, показаною на рисунку 4.24.

Вихідні характеристики ПТКП зі статичною індукцією не мають пологих ділянок, тобто вихідний опір приладів досить малий.

Транзистори мають дуже короткий канал і малу відстань від витоку до затвора (приблизно 10 мкм). Підвищення їх потужності забезпечується багатоканальною будовою і малими розмірами областей затвора, циліндричних за формою (діаметр приблизно дорівнює 25 мкм).

а) б) в)

Рисунок 4.24 – Структура ПТКП зі статичною індукцією (а); вигляд структури збоку (б); вихідні характеристики (в)

При збільшенні напруги наростає струм стоку, обмеження якого не відбувається внаслідок того, що канал (область між затворами) короткий, затвор малий, і збільшення приводить до зменшення результуючої напруги на затворі відносно витоку. Збільшення негативної напруги на затворі приводить до необхідності збільшення напруги для компенсації запірної дії , і тому вихідні характеристики при збільшенні зсуваються вправо.

4.6 Польові прилади із зарядовим зв’язком

Польовий прилад із зарядовим зв’язком (ПЗЗ) – це напівпровідниковий прилад, у якому можуть здійснюватися накопичення неосновних носіїв заряду під електродами МДН-структур (під електродами затворів) і переміщення цих носіїв від одного електрода до іншого.

Принцип дії ПЗЗ ґрунтується на зберіганні заряду неосновних носіїв у потенціальних ямах, що утворюються біля поверхні НП під дією зовнішнього поля, і на переміщенні цього заряду вздовж поверхні за рахунок зсуву потенціальних ям.

ПЗЗ - це МДН-транзистор, що має кілька затворів. Розглянемо ПЗЗ, який виконує функцію тритактного регістра зсуву (рис. 4.25 а). Цей прилад має три секції. Вхідна секція складається з р⁺ - області витоку і вхідного затвора, що відіграє роль ключа для керування рухом дірок з дифузійної р⁺ - області витоку до першої потенціальної ями. Друга секція (секція перенесення) має кілька затворів, які керують потенціалом приповерхневого шару НП. Ці затвори з’єднані між собою через два. Напруга на затворах секції має форму імпульсів різної амплітуди, що циклічно змінюють один одного (рис. 4.25 б-д). При такій зміні напруги на затворах потенціальні ями переміщуються до виходу приладу, захоплюючи із собою пакети носіїв заряду – дірок. Третя секція ПЗЗ – вихідна секція – являє собою – перехід стоку, ввімкнений у зворотному напрямі, напруга на якому буде змінюватися при надходженні пакета носіїв заряду – дірок (рис. 4.25 г).

Нехай під час першого такту роботи на вхідний затвор подається напруга , достатня для утворення провідного каналу під вхідним затвором (). Якщо при цьому на першому затворі секції перенесення існує досить велика негативна напруга, тобто під цим затвором створена потенціальна яма для дірок, то дірки будуть виходити з витоку, проходити через канал під вхідним затвором і накопичуватися у потенціальний ямі під першим затвором.

На початку наступного такту дія напруги на вхідному затворі припиняється. Внаслідок цього зникає провідний канал під вхідним затвором. Отже, відбувається запис інформації, наприклад логічної одиниці, оскільки під першим затвором секції перенесення залишився пакет дірок (для запису логічного нуля під час першого такту роботи ПЗЗ на вхідний затвор не повинна подаватися негативна напруга).

Після зміни напруг на затворах секції перенесення найбільша негативна напруга діятиме на другому затворі секції перенесення, і тому пакет дірок пересунеться до потенціальної ями під другим затвором (рис. 4.25 в). Під час наступних тактів зміни напруги на затворах секції перенесення відбувається подальше пересування пакета дірок у напрямі вихідної секції (рис. 4.25 г, д).

Якщо у потенціальних ямах, що підходять до – переходу стоку, немає дірок, то струм стоку не змінюватиметься. Лише у тому разі, коли до стоку підійде потенціальна яма, яка містить у собі дірки, у колі стоку діятиме імпульс струму, оскільки дірки з потенціальної ями екстрагуватимуть до області стоку через – перехід у зворотному ввімкненні.

До основних параметрів польових ПЗЗ належать такі:

1 Нижня гранична тактова частота, яка зв’язана з процесом накопичення дірок у пустих потенціальних ямах за рахунок термогенерації впродовж десятків мілісекунд. Це призводить до спотворення рівня логічного нуля, записаного у потенціальній ямі. Для запобігання цьому нижня гранична частота вибирається у діапазоні одиниць – десятків кілогерц.

2 Верхня гранична тактова частота, що визначається часом перетікання заряду з однієї потенціальної ями до іншої. Досягає десятків мегагерц.

3 Ефективність передачі заряду

,

що показує, яка частка заряду переноситься з однієї потен­ціальної ями і до іншої і+1. Для якісних ПЗЗ коефіцієнт наближається до одиниці.

Рисунок 4.25 - Структура ПЗЗ з тритактним живленням затворів секції перенесення (а)

і пояснення принципу його дії (б, в, г, д):

б) запис логічної одиниці за допомогою інжекції пакета дірок до потенціальної ями під першим затвором секції перенесення; в) перенесення пакета дірок до наступних потенціальних ям при зміні потенціалів на електродах затвора; г) зчитування логічної одиниці на виході приладу під час екстракції дірок з потенціальної ями в р⁺ - область стоку; д) запис логічного нуля за відсутності негативного потенціалу на електроді затвора

Але втрата заряду і, отже, інфор­мації неминуче трапляється за рахунок захоплення дірок поверхневими енергетичними рівнями «пасток», тобто внаслідок дії поверхневої рекомбінації. Тому достатня величина вихідного сигналу може бути одержана при передачі заряду на невелику кількість тактів (не більше сотні) і впродовж малого часу. З метою усунення цього недоліку використовують схеми регенерації, що реалізуються за допомогою підсилювачів. Зчитуваний з ПЗЗ сигнал підсилюється, формуються його рівні («1» або «0»), а потім здійснюються перезапис цього сигналу в ПЗЗ. Для тривалого зберігання інформації ланцюжок ПЗЗ замикають у кільце. Регенерація інформаційного заряду, як правило, супроводжується виводом інформації, тобто реалізується ПЗЗ з неруйнівним зчитуванням інформації.

Напівпровідникові польові ПЗЗ застосовуються у запам’ятовувальних пристроях ЕОМ, у пристроях перетво­рення оптичного зображення в електричний сигнал (у телебаченні), в лініях задержки аналогових сигналів тощо.