Материал: Полевые транзисторы и приборы с зарядовой связью (ПЗС)

Полевые транзисторы и приборы с зарядовой связью (ПЗС)

Полевые транзисторы и приборы с зарядовой связью (пзс)

1. Полевые транзисторы с управляющим р-п переходом

Полевыми называют транзисторы с управляемым каналом для тока основных носителей заряда (с n- и p- каналом представлены на рис. 1). Эти транзисторы называются униполярными, т.к. в них ток переносится за счет дрейфа лишь основных носителей. ПТ делят на транзисторы с затвором в виде управляющего р-n перехода или барьера Шотки и транзисторы с изолированным затвором (МОП или МДП транзисторы). Рассмотрим транзисторы с затвором в виде управляющего р-n-перехода предложенным в 1952 г. Вильямом Шокли и названным унитроном.

Рис. 1

В кристалле n-типа формируются области р-типа, которые образуют р-n-переходы. В центральной части кристалла под р-n переходами образуется канал, размеры которого можно изменять величиной потенциала на управляющем электроде - затворе (З), к торцам пластины припаяны омические контакты. Один из этих электродов называется истоком (И), а другой - стоком (С). Между истоком и стоком приложено напряжение Е_с. Прибор управляется обратным напряжением, приложенным к р-n-переходу. (Следует отметить, что такая структура (с двумя переходами) в настоящее время не используется, так как ее трудно реализовать на практике. Однако она удобна для анализа, причем результаты анализа легко применить к современным типам приборов с одним переходом).

Конструкции полевых транзисторов разрабатываются с наименьшим возможным поперечным сечением канала (см. рис. 2, б), чтобы получить более сильную модуляцию. Для этого затвор выполняют в виде кольца. Кроме того, для увеличения глубины модуляции площади поперечного сечения канала и его сопротивления исходный полупроводниковый материал должен обладать малой концентрацией примеси (при этом обратное смещение на переходе будет вызывать значительное расширение р-n-перехода в сторону канала, как в высокоомную область).

а                                                       б

Рис. 2

С увеличением обратного напряжения на затворе ширина р-n-переходов увеличивается, сечение канала уменьшается, а, следовательно, уменьшается и ток I_с.

При большом отрицательном смещении U_зо р-n-переходы перекрывают канал и транзистор будет «запираться».

Понятно, что, меняя напряжение на затворе U_зи в пределах до U_зо, можно изменять сопротивление канала R_к при этом будет происходить управление током стока I_с, который определяется как

где r_и, r_с - сопротивление объема полупроводника, прилегающего к истоку и стоку.

Можно показать, что величина R_к будет определяться через значения ширины канала v, удельное сопротивление r_n, толщина обедненного слоя ℓ

Рассмотрим основные характеристики ПТ - стоко-затворную и стоковую (выходную).

Вдоль канала происходит падение напряжения, обусловленное прохождением тока между истоком и стоком. В результате разность потенциалов между р- и n- областями полупроводникового кристалла в разных точках р-n-перехода вдоль канала различна. Поэтому канал по мере приближения к стоку сужается (рис. 2) последовательно принимая положение 1, 2,3 с ростом U_зи либо U_си.

В наиболее узком месте (около стока) напряжение на переходе равно U_з + U_с. С ростом U_c это напряжение, в конце концов, делается равным напряжению отсечки U_зо и переходы почти смываются (случай 3). Однако это не приводит к отсечке тока при U_зи > U_зо, так как само «смыкание» является следствием увеличения тока. Вместо отсечки тока происходит отсечка его приращений, т.е. резкое возрастание дифференциального сопротивления канала (насыщение ВАХ). При этом на кривой I_c = f(U_c), начиная с некоторой точки Н, получается практически горизонтальный участок (рис. 3).

Такой режим, по аналогии с вакуумными приборами, можно назвать насыщением, а напряжение U_сн, при котором он наступает - напряжением насыщения.

Несложно показать, что с ростом , величина U_сн уменьшается (т.к. U_сн= U_зо - U_з). Причем в этом режиме ширина канала вблизи стока становится порядка длины Дебая.

В режиме насыщения, когда U_с > U_сн, потенциал «горловины» канала сохраняет значение U_си (в противном случае канал должен был бы еще больше сужаться, что невозможно), но «горловина» становится более протяженной и сдвигается в сторону истока.

Рис. 3

При достижении режима насыщения рост U_зи приводит к экспоненциальному уменьшению концентрации носителей в канале и одновременно к увеличению скорости носителей до тех пор, пока скорость оставшихся носителей не достигнет дрейфовой скорости насыщения v_s (см. диод Ганна, т.к. ток определяется j=env, а n снижается с ростом v, то j = const).

Разность потенциалов U_с - U_сн падает на участке между стоком и «началом горловины» со стороны истока, а протяженность этого участка определяется как

.

Таким образом, в режиме насыщения происходит модуляция длины канала (по аналогии с эффектом Эрли в биполярных транзисторах - зависимость v (U_к)).

Аналитическое выражение для ВАХ полевого транзистора (рис. 2) (начальные участки выходных характеристик близки к линейным) на крутом участке (область нарастания тока)

на пологом участке (область насыщения) или в активной области

,

где R_{к мин} - сопротивление канала при U_зи=0.

Область насыщения является основной рабочей областью, т.к. ток стока эффективно управляется напряжением на затворе U_з и не зависит от U_с. По этой причине в качестве характеристики передачи рассматривают обычно зависимость тока насыщения от напряжения на затворе I_сн = f(U_зи) при U_сн = const, которая имеет вид рис.4,а.

а                                    б

Рис. 4

Семейство статических характеристик передачи при различных значениях U_с имеет вид рис. 4, б.

В случае р-канала входные и выходные ВАХ ПТ принимают соответственно вид рис. 5.

Рис. 5

На основании принципа действия можно составить эквивалентную схему полевого транзистора для низких частот.

Она будет состоять из объемных сопротивлений кристалла полупроводника стока r_с и истока r_и, величины которых будут определяться конструкцией и технологией прибора. Большого по величине дифференциального сопротивления канала R_к общего для входной и выходной цепей сопротивления истока r_и, которое играет роль сопротивления внутренней обратной связи в транзисторе, включенном по схеме с общим истоком. Емкостей С_зи, С_зс и сопротивления r_зи, r_зс, которые замещают в эквивалентной схеме р-n-переход с его барьерной емкостью и большим активным дифференциальным сопротивлением при обратном смещении. Генераторы тока, включенного параллельно сопротивлению канала, отражающего усилительные свойства транзистора рис. 6.

Рис. 6

Необходимо отметить, что эта схема не учитывает реально распределенного характера отдельных параметров, однако для низких частот она дает достаточно полное представление о функционировании прибора и временном влиянии параметров. Учитывая, что емкость и сопротивление затвора распределены по всей площади, так же как и сопротивление канала, можно представить эквивалентную схему полевого транзистора в виде рис. 7.

Рис. 7

Кроме физических эквивалентных схем можно представить ПТ и формальными эквивалентными схемами на основе описания транзистора с помощью уравнений четырехполюсника с Y, Z или Н параметрами как это выполнено для БТ. При этом считая малыми объемные сопротивления полупроводника r_с, r_и (они равны » 10-20 Ом, что на 3-5 порядков меньше r_зи, r_зс) и пренебрегая проводимостями запертого р-n-перехода (мегомы) получаем:

Как и в биполярных транзисторах, значения малосигнальных параметров (Y₁₁ - входная проводимость при кз на выходе; Y₁₂ - проводимость обратной связи при кз на входе; Y₂₁ - проводиморсть прямой передачи при кз на выходе; Y₂₂ - выходная проводимость при кз на входе) зависят от величины питающих прибор напряжений, но позволяют определять свойства таких приборов в значительном частотном диапазоне.

Как мы уже отмечали, принцип действия полевого транзистора не связан с инжекцией неосновных носителей обладающих «низкими» скоростями, это прибор без инжекции. Здесь частотные свойства в отличие от биполярных транзисторов, обусловлены исключительно инерционностью, процессов заряда и разряда барьерных емкостей затвора С_зи,с через распределенные сопротивления R_к, объемные сопротивления кристалла полупроводника r_и, r_с и r_зи, r_зс. По этой причине и сечение канала изменяется не мгновенно, а с какой-то постоянной времени.

На НЧ входное сопротивление определяется величиной r_зи, которое с ростом частоты шунтируется емкостью С_зи, и требует при этом для управления значительно большой мощностью входного сигнала.

Оказывает существенное влияние и проходная емкость С_зс - создающая частотно-зависимую обратную связь. При этом с ростом частоты возрастает обратная связь через цепь r_с С_зо, что эквивалентно снижению полного входного сопротивления полевого транзистора, а следовательно, и уменьшению усиления.

Основными параметрами ПТ следует считать:

1. Крутизну характеристики (определяет усилительные свойства)

1. Выходное или внутреннее сопротивление

1. Входное сопротивление

1. Напряжение отсечки (U_зи >U_зо) и насыщения U_{си нас}= U_сн.

2. Входная и проходная емкости С_зи, С_зс (n 1пФ).

Предельная рабочая частота f_s (частота на которой крутизна ).

1. Коэффициент шума (» 2 дБ на f = 1 кГц).

2. Допустимая мощность рассеяния (до 5 Вт при f_s=500 МГц).

Основными причинами шума в ПТ являются тепловой шум в канале и индуцированный шум у затвора. Первый из них представляет собой обычный тепловой шум сопротивления проводящей части канала, а второй является следствием первого, поскольку любая флуктуация потенциала канала вызывает флуктуацию напряжения затвора. Следует отметить, что ПТ с каналом р-типа имеет худшие частотные свойства и большие шумы.

ПТ принципиально отличается от биполярных тем, что управляются электрическим полем, а не зарядом, поступающим в базу под действием входного тока. Достоинства ПТ: - большое входное сопротивление; - большая эффективность управления, т.к. обратно смещенный переход затвора не потребляет энергии; - лучшие частотные характеристики, т.к. перенос носителей определяется проводимостью, а не диффузией.

2. МДП-транзисторы

Транзисторы с изолированным затвором имеют структуру металл - диэлектрик - полупроводник либо металл-окисел-полупроводник (МДП или МОП), в которых окислом может выступать и окись кремния - диэлектрик.

-   транзисторы с встроенным каналом,

-   транзисторы с индуцированным каналом.

В случае ПТ со встроенным n-каналом в высокоомном кристалле p-типа формируются две высоколегированные области n⁺ и n-проводящий канал между ними, затем поверхность окисляется (SiO₂) и в промежутки между n⁺ областями наносится металлическая пленка, выполняющая роль затвора. Таким образом, затвор отделен от канала слоем диэлектрика. Одна из сформированных n⁺ областей является истоком, другая - стоком.

При отрицательном напряжении на затворе электрическое поле затвора вытесняет электроны из канала в подложку (происходит обеднение канала носителями тока) и ток уменьшается. При положительном напряжении на затворе - обогащение канала, т.е. ПТ работает как в режиме обогащения, так и обеднения канала носителями. Структура такого ПТ и его стоко-затворная характеристика приведены на рис. 8,а и б.

а                                    б

Рис. 8

В зависимости от полярности напряжения на затворе уменьшается или увеличивается сопротивление канала. В ПТ с индуцированным каналом проводящий канал отсутствует при U_З = 0, а при смещении больше порогового происходит инверсия электропроводности приповерхностного слоя и образуется n-канал.

При положительном напряжении на затворе числе электронов в приповерхностном слое p-полупроводника возрастает, а число дырок уменьшается (электроны притягиваются к поверхности, а дырки вытесняются полем вглубь подложки). При напряжении, превышающем пороговое происходит инверсия электропроводности поверхности полупроводника n>p и образуется n-канал. Условное изображение на схемах таких ПТ имеет вид рис. 9,а. Стоко-затворная характеристика ПТ с индуцированным n-каналом приведена на рис. 9, б.

Рис. 9

Недостаток ПТ: боятся статистического электричества

Долго считались, что ПТ принципиально низкочастотные приборы из-за большой емкости затвора. Однако прогресс в технологии позволяет делать затворы (каналы) микронными и субмикронными, и в настоящее время полевые транзисторы по высокочастотным свойствам превосходят биполярные.

полевой транзистор полупроводниковый зарядовый

3. Основные параметры МДП транзистора

Основные параметры ПТ сходны с параметрами электронных ламп.

Характерной особенностью МДП-транзистора является большое входное сопротивление R_вх = 10⁹ - 10¹⁵ Ом, которое определяется сопротивлением изоляции между затвором и каналом. Большое R_вх и малые входные токи приводят к тому, что коэффициент усиления по току не может быть параметром, т.к. это было у биполярного транзистора. В качестве основного усилительного параметра используют крутизну стоко-затворной характеристики