Файл: Электроника Ицкович Учебное пособие Ч2 2017.pdf

106

рассеиваемой мощности на транзисторах, включенных по схемам 
1  и 2, больше  всего  на 1—5 мкВт,  что  даже  для  интегральной 
технологии несущественно. 

Значительно меньшее значение обратных токов эмиттерных 

переходов  является  очень  важным,  т. к.  позволяет  работать  при 
существенно  меньших  прямых  токах,  а  следовательно,  умень-
шить общую потребляемую мощность микросхемы. 

Схема 1 обладает самым высоким быстродействием. За счет 

глубокой отрицательной обратной связи не происходит накопле-
ния  избыточных  носителей,  а,  следовательно,  время  рассасыва-
ния  практически  равно  нулю,  что  обеспечивает  практически 
мгновенное время восстановления обратного сопротивления. 

Включение  транзистора  по  схеме 5 нецелесообразно, 

т. к. она объединяет всё худшее предыдущих схем. 

11.6 

Модель

интегрального

биполярного

транзистора

 
На рис. 11.10 приведена модель интегрального транзистора 

типа  n-

р

-n,  аналогичная  модели  Эберса — Молла  дискретного 

транзистора. Она учитывает, что в структуре интегрального тран-
зистора, кроме основного n-

р

-n транзистора, имеется паразитный          

р

-n-

р

  транзистор.  Диоды 

1 —

3

VD

VD

 — моделируют  свойства 

эмиттерного,  коллекторного  и  изолирующего 

р

-n  переходов  со-

ответственно.  

Вольт-амперные  характеристики  этих  диодов  аппроксими-

руются формулами:  

1

0

1 ,

БЭ

Т

U

Э

I

I

е

ϕ

⎡

⎤

=

−

⎢

⎥

⎢

⎥

⎣

⎦

2

0

1 ,

кб

Т

U

K

I

I

e

ϕ

⎡

⎤

=

−

⎢

⎥

⎢

⎥

⎣

⎦

3

0

1 ,

КП

T

U

И

I

I

e

ϕ

⎡

⎤

=

−

⎢

⎥

⎢

⎥

⎣

⎦

где 

0

Э

I

, 

0

K

I

, 

0

И

I

 — параметры  модели,  имеющие  смысл  тепло-

вых обратных токов эмиттерного, коллекторного и изолирующе-
го переходов. Положительными считаются токи I

1

, I

2

, I

3

, соответ-

ствующие  прямым  включениям  переходов.  Положительные 
направления  токов  во  внешних  выводах  эмиттера,  базы,  коллек-
тора  и  подложки  показаны  стрелками  на  рис. 11.10. Эти  токи 
совпадают с направлениями токов в активном режиме как для ос-
новного, так и для паразитного транзисторов. Напряжения между 

107

внешними выводами эмиттер — база 

ЭБ

U

, коллектор — база 

КБ

U

, 

коллектор — подложка 

КП

U

 и напряжения на 

р

-n переходах 

1

ЭБ

U

, 

1

КБ

U

, 

1

КБ

U

  считаются  положительными,  если  соответствующий 

переход включен в прямом направлении. 

ά

1

I

2

ά

П1

I

3

ά

n

I

1

ά

П

I

2

I

К

r

1

Э 

r

1

K 

r

1

П 

r

1

Б 

I

Б 

I

П 

I

1 

I

Э2 

I

Э3 

VD1 

VD2 

VD3 

П 

Б 

Э 

К 

I

Э 

С

Э бар 

С

К бар 

С

П бар 

С

Э Д 

С

К Д 

С

П Д 

Рис. 11.10 — Модель биполярного интегрального транзистора 

 
Взаимодействие  переходов  транзистора  учитывается  че-

тырьмя генераторами тока. Генератор тока 

1

n

I

α , включенный па-

раллельно  диоду 

2

VD

,  учитывает  передачу  тока  из  эмиттера  в 

коллектор,  а  генератор  тока 

3

Пi

I

α

 — из  подложки  в  коллектор. 

Здесь 

Пi

α  — инверсный  коэффициент  передачи  паразитного             

р

-n-

р

 транзистора, а генератор тока 

ПN

α , включенный параллель-

но диоду 

3

VD

, из базы в подложку (

ПN

α  — нормальный коэффи-

циент передачи паразитного транзистора). Статические парамет-
ры модели — тепловые обратные токи переходов и коэффициен-
ты  передачи  тока  связаны  между  собой  двумя  соотношениями: 

0

N Э

i

I

I

α

= α , 

0

1

0

П К

П

И

I

I

α

= α

. 

108

Таким образом, из семи перечисленных параметров незави-

симыми  являются  пять.  Модель  интегрального  биполярного 
транзистора содержит четыре резистора: 

1

э

r

, 

1

Б

r

, 

1

K

r

, 

1

П

r

, учитыва-

ющих  влияние  сопротивлений  полупроводниковых  областей 
эмиттера, базы, коллектора и подложки соответственно. 

Сопротивления  перечисленных  резисторов  являются  пара-

метрами модели. Модель включает также барьерные и диффузион-
ные  емкости  переходов:  эмиттерного 

ЭБАР

C

, 

ЭД

С

,  коллекторного 

КБАР

С

, 

КД

С

 и изолирующего 

BБАР

C

, 

ИД

С

, что позволяет использо-

вать ее для анализа работы транзистора в импульсном режиме. 

 
МДП-транзисторы интегральных микросхем 
В  микросхемах  наиболее  широко  распространены  МДП-

транзисторы  с  индуцированными  каналами  n-типа.  Транзисторы 
со встроенными каналами используют реже, в основном как пас-
сивные элементы (нелинейные резисторы). 

11.7 

Полевые

транзисторы

с

управляющим

переходом

металл

-

полупроводник

 
Полевые  транзисторы  с  управляющим  переходом  металл- 

полупроводник  являются  основными  активными  элементами  ар-
сенид галлиевых микросхем. Главная цель их разработки состоя-
ла  в  повышении  быстродействия.  Цифровые  арсенид-галлиевые 
микросхемы  относятся  к  классу  сверхскоростных,  которые  при-
меняются  для работы в диапазоне сверхвысоких частот. 

При  разработке  полевых  транзисторов  с  управляющим  пе-

реходом  металл-полупроводник  и  микросхем  на  их  основе  ис-
пользуются  следующие  преимущества  арсенида  галлия  по  срав-
нению  с  кремнием:  более  высокие  подвижность  электронов 
в слабых  электрических  полях  и  скорость  насыщения  в  сильных 
полях, большая ширина запрещенной зоны и, как следствие, зна-
чительно более высокое удельное сопротивление нелегированно-
го  арсенида  галлия,  позволяющее  создавать  полуизолирующие 
подложки микросхемы. 

109

Простейшая структура МЕП-транзистора 
Одна  из  первых  структур  арсенид-галлиевого  МЕП-тран-

зистора  (поперечный  разрез)  показана  на  рис. 11.11. Транзистор 
создают  на  подложке 1 из  нелегированного  арсенида  галлия.          
Нелегированный  арсенид  галлия  имеет  слабо  выраженную  про-
водимость  p-типа.  Для  ее  уменьшения  при  выращивании  моно-
кристаллов иногда вводят в небольших количествах атомы хрома, 
компенсирующие  действие  акцепторов.  Подложки,  изготовлен-
ные  из  такого  материала,  обладают  повышенным  удельным  со-
противлением, и их называют полуизолирующими. 

У поверхности подложки методом ионного легирования фор-

мируют  сильнолегированные  области    истока  и  стока   

n

+

-типа, 

а затем — тонкий слой канала  n -типа. На поверхность подложки 
над слоем 3 наносят металлический электрод 4 затвора З. Метал-
лические  электроды 5, для  которых  применяют  композицию  зо-
лото-германий,  обеспечивают  омические  контакты  к  областям 
истокам  и  стока  С.  На  поверхность  подложки,  не  используемую 
для  контактов,  наносят  слой  диэлектрика 6, например  диоксида 
кремния.  Металлический  электрод  затвора  образует  со  слоем 3 
выпрямляющий контакт — барьер Шотки, типичная равновесная 
высота которого 0,8 В. Проводящий канал между истоком и сто-
ком располагается в слое 3 и ограничен сверху обедненной обла-
стью 7 барьера Шотки, а снизу — подложкой. 

И

1 

2 

2 

3 

4 

5 

6 

7 

Полуизолирующий GaAs 

n

+ 

n

+ 

З

С

n

5 

Рис. 11.11 — Структура МЕП-транзистора 

110

U

ПОР1 

U

ПОР2 

U

ЗИ 

U

ЗИ МАКС 

I

C МАКС2 

I

C МАКС1 

I

1

3

2

Рис. 11.12 — Сток-затворные характеристики 

 МЕП-транзистора 

 
Если  напряжение  на  затворе  равно  пороговому 

1

ПОР

U

,  то 

граница  обедненного  слоя 7 достигает  полуизолирующей  под-

ложки (толщина канала и ток стока равны нулю). Требуемое по-

роговое напряжение обеспечивают выбором концентрации доно-
ров в канале  и толщины 

0

d

 слоя 3. 

В арсенид-галлиевых микросхемах применяют МЕП-транзи-

сторы, для которых 

2,5 — 0, 2

ПОР

U

B

= −

+

. Если 

0

ПОР

U

< , то при 

0

ЗИ

U

=  канал является проводящим и транзистор называют нор-

мально открытым — он аналогичен МДП-транзистору с встроен-
ным каналом. При 

0

ПОР

U

>  и 

0

ЗИ

U

=  канал перекрыт обеднен-

ным  слоем 7 и  транзистор  называют  нормально  закрытым,  он 

аналогичен  МДП-транзистору  с  индуцированным  каналом.  На 

рис. 11.12 приведены стоко-затворные характеристики нормально 

открытого 1 и  нормально  закрытого 2 транзисторов,  а  также  их 

входная  характеристика 3. Для  нормально  открытых  МЕП-

транзисторов  управляющее  напряжение  затвора,  при  котором 

протекает  ток  стока,  может  изменяться  от  отрицательных  значе-

ний, превышающих пороговое, до небольших положительных (не 

более  0,6 

В

).  При  больших  положительных  напряжениях  на  за-

творе  в  его  цепи  появляется  нежелательный  ток 

З

I

,  так  как  от-

крывается  переход  металл-полупроводник  (кривая 3). Поэтому 
ток стока ограничен величиной 

.

1

С макс

I

. Для нормально закрытых 

транзисторов  напряжение  затвора,  при  котором  протекает  ток 

стока, положительное и может изменяться в пределах 0—0,6.