ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 8836
Скачиваний: 20
181
Ток I
С
остается неизменным в любом сечении. Поэтому,
разделяя переменные и интегрируя обе части соответственно
в пределах от 0 до U
C
и от 0 до L, можно представить искомую
функцию
( )
С
С
I
U
в следующем виде
(
)
3
3
2
2
1
2
0
0
1
2
.
3
З
C
З
C
C
K
З
U
U
U
I
U
R
U
⎡
⎤
−
+
⎢
⎥
=
+
⎢
⎥
⎣
⎦
(5.3)
Здесь через R
K0
обозначено минимальное дифференциаль-
ное сопротивление канала.
0
.
K
L
R
aZ
ρ
=
(5.4)
Ток насыщения получается равным:
0
0
0
0
1
1
2
1
.
3
3
З
C
З
З
K
З
U
I
U
U
R
U
⎡
⎤
⎛
⎞
=
−
−
⎢
⎥
⎜
⎟
⎜
⎟
⎢
⎥
⎝
⎠
⎣
⎦
(5.5)
Поскольку участок насыщения является основным рабочим
участком, определим крутизну S именно в этой области. Диффе-
ренцируя (5.5) по U
З
, получаем:
0
0
1
1
.
СН
З
З
K
З
I
U
S
U
R
U
⎛
⎞
∂
= −
=
−
⎜
⎟
⎜
⎟
∂
⎝
⎠
(5.6)
Дифференциальное сопротивление r
С
в области насыщения
согласно (5.5) равно бесконечности. Практически оно может со-
ставлять несколько мОм.
Переходя к оценке быстродействия унитрона, напомним,
что его работа не связана с инжекцией неосновных носителей
и распространением их до стока. Инерционность унитрона обу-
словлена зарядом барьерных емкостей переходов.
Емкости переходов заряжаются через сопротивление канала.
При этом разные участки емкостей заряжаются через разные со-
противления в зависимости от расстояния данного участка от ис-
тока (рис. 5.5). Чтобы не усложнять анализа, примем, что канал
имеет одинаковое сечение на всем протяжении. Тогда средняя
емкость одного из p-n переходов и среднее сопротивление канала
будут иметь следующие значения:
0
(
)
;
0,5(
)
З
LZ
С
a
w
ξ ξ
=
−
(5.7а)
182
0,5
.
K
L
R
Zw
ρ
=
(5.7б)
Постоянная времени затвор-исток будет равна удвоенному
произведению этих параметров, так как через сопротивление ка-
нала заряжаются одновременно обе емкости:
2
0
2
2
.
(
)
З
K
З
L
R C
w a
w
ξ ξρ
τ =
=
−
(5.8а)
I/2
I/2
I
Исток
Затвор
Затвор
x
Рис. 5.5 — Процесс заряда емкости затвора
в полевом транзисторе с p-n переходом
Постоянная времени
З
τ зависит от толщины w.
2
0
2
8
.
ЗМИН
L
a
τ
= ξ ξρ
(5.8б)
В заключение заметим, что в режиме насыщения вольт-
амперная характеристика (5.5) хорошо аппроксимируется более
простой квадратичной характеристикой.
2
0
0
0
(
)
1
.
3
З
З
C
K
З
U
U
I
R
U
−
=
(5.9а)
Дифференцируя (5.9а), получаем выражение для крутизны
0
0
0
2
3
.
3
З
З
K
З
U
U
s
R
U
−
=
(5.9б)
183
U
ЗИ
U
СИ
R
И
R
C
Рис. 5.6 — Схема включения полевого
транзистора с p-n переходом
Эквивалентная схема. Аналогия между полевыми транзи-
сторами и электронными лампами объясняет сходство их эквива-
лентных схем (рис. 5.7); канал и управляющий p-n переход пред-
ставлены сосредоточенными параметрами. Канал представлен
дифференциальным сопротивлением и межэлектродной емко-
стью, величина которой определяется геометрией и материалом
прибора.
Управляющий p-n переход представлен сопротивлением
и усредненной емкостью. Сопротивлением затвора-истока часто
пренебрегают в связи с его большой величиной; поэтому
на рис. 5.7 оно показано пунктиром Усилительные свойства тран-
зистора отражены генератором тока SU
З
. Сопротивления истока
и стока показаны условно, так как их влияние автоматически
учитывается при измерении параметров.
SU
З
С
ЗС
R
С
R
И
R
К
С
ЗИ
С
З
r
З
r
С
С
З
С
СИ
И
Рис. 5.7 — Эквивалентная схема униполярного
транзистора для переменных составляющих
токов и напряжений
184
5.2
Полевые
транзисторы
с
изолированным
затвором
Структура и классификация. Спецификой унитронов яв-
ляется максимальная проводимость канала при нулевом смеще-
нии на затворе. С ростом смещения (по модулю) проводимость
канала уменьшается вплоть до полной отсечки. Смещение может
иметь только одну полярность, соответствующую отсутствию
инжекции через переход.
У полевых транзисторов с изолированным затвором послед-
ний представляет собой металлический слой, изолированный от
полупроводника тонкой диэлектрической пленкой. Наличие ди-
электрика снимает ограничение на полярность смещения: она
может быть как положительной, так и отрицательной, причем
в обоих случаях ток затвора отсутствует. Структура таких тран-
зисторов (металл — диэлектрик — полупроводник) лежит в ос-
нове широко распространенного их названия МДП-транзисторы.
В том весьма распространенном случае, когда диэлектриком яв-
ляется окисел (двуокись кремния), их называют МОП-тран-
зисторами. Две основные структуры МДП-транзисторов показаны
на рис. 5.8. Первая из них (рис. 5.8, а) характерна наличием специ-
ально осуществленного (собственного или встроенного) канала,
проводимость которого модулируется смещением на затворе.
В случае канала р-типа положительный потенциал U
З
«отталкива-
ет» дырки из канала (режим обеднения), а отрицательный — «при-
тягивает» их (режим обогащения). Соответственно проводимость
канала либо уменьшается, либо увеличивается по сравнению с ее
значением при нулевом смещении.
исток
SiO
2
n-подложка
p
+
p
+
p-канал
затвор
сток
n-подложка
p
+
p
+
затвор
сток
исток
а б
Рис. 5.8 — Структуры МДП-транзисторов с собственным (а)
и индуцированным (б) каналами
185
Вторая структура (рис. 5.8, б) характерна отсутствием
структурно выраженного канала. Поэтому при нулевом смеще-
нии на затворе проводимость между истоком и стоком отсутству-
ет: исток и сток образуют с подложкой встречно включенные р-n
переходы. Тем более не может быть проводимости между исто-
ком и стоком при положительной полярности смещения, когда
к поверхности полупроводника притягиваются дополнительные
электроны.
Однако при достаточно большом отрицательном смещении,
когда приповерхностный слой сильно обогащается притянутыми
дырками, между истоком и стоком образуется своего рода инду-
цированный (наведенный полем) канал, по которому может про-
текать ток. В настоящее время транзисторы с индуцированным
каналом имеют наибольшее распространение, главным образом
из-за простоты их изготовления.
Оба типа МДП-транзисторов могут изготовляться как с р-,
так и с n-каналом, что дополнительно расширяет возможности их
схемного применения.
Физические процессы. Рассмотрим работу МДП-транзис-
тора с индуцированным р-каналом. Весь анализ справедлив и для
транзисторов с n-каналом.
Ниже все напряжения и потенциалы записываются в виде их
модулей, чтобы избежать знаков минуса, характеризующих отри-
цательную полярность смещений в транзисторах (p- или n-типа).
В отсутствие смещений приповерхностный слой полупро-
водника обычно обогащен электронами из-за наличия ловушек на
границе Si-SiO
2
и наличия положительных ионов в пленке ди-
электрика. Соответственно энергетические зоны искривлены
вниз, и начальный поверхностный потенциал
ЗО
ϕ отрицателен
(рис. 5.9, а).
По мере роста отрицательного смещения U
З
электроны от-
талкиваются от поверхности. При этом энергетические зоны сна-
чала спрямляются, а затем искривляются вверх, т. е. поверхност-
ный потенциал делается положительным.
Однако до тех пор, пока приповерхностная область сохраняет
электронный тип проводимости или, точнее, пока сток и исток об-
разуют с этой областью выпрямляющие контакты, проводимость