Файл: Электроника Ицкович Часть 1.pdf

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

K

P

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 транзистора 
отражены  генератором  тока SU

З

.  Сопротивления  истока  и  стока 

показаны условно, так как их влияние автоматически учитывает-
ся при измерении параметров.  

 SU

З 

З 

С

И

С

С

R

R

С

С

R

K 

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 транзи-
сторов (металл — диэлектрик — полупроводник) лежит в основе 
широко  распространенного  их  названия  МДП-транзисторы.  В 
том  весьма  распространенном  случае,  когда  диэлектриком  явля-
ется  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 сохраня-

ет электронный тип проводимости или, точнее, пока сток и исток 
образуют  с  этой  областью  выпрямляющие  контакты,  проводи-