а) б)
Рис. 13.4. Выходные ВАХ МДП транзистора со встроенным (а) и индуцированным (б) каналом
13.4. Дифференциальные параметры МДП-транзистора
Основным параметром, отражающим усилительные свойства полевого транзистора, является крутизна S сток–затворной характеристики, которая в области насыщения выражена следующим образом:
S = |
dIc |
|
|
|
= S0 (U зи −Uпор )= μCз |
b |
(U зи −Uпор ) |
(13.1) |
|
dU |
зи |
|
Ucи =const |
l |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
∙Для увеличения крутизны характеристики исходный полупроводник должен обладать большой подвижностью носителей заряда, поэтому усилительные свойства n-канальных приборов лучше, чем р- канальных.
∙Уменьшение длины канала также увеличивает крутизну характеристики. Нижний предел длины канала ограничен технологией изготовления.
∙Использование в качестве подзатворного диэлектрика материала с большой относительной диэлектрической проницаемостью приводит к увеличению крутизны характеристики, однако при этом увеличиваются паразитные емкости между затвором и стоком, что ухудшает частотные свойства транзистора.
∙Уменьшение толщины диэлектрика также может привести к резкому уменьшению пробивного напряжения между затвором и стоком.
Кроме крутизны, полевые транзисторы характеризуются внутренним сопротивлением Ri, которое представляет собой выходное дифференциальное сопротивление:
222
Ri = |
dUcи |
|
(13.2) |
dIз |
|
||
|
|
U з =const |
|
|
|
В области насыщения внутреннее сопротивление МДП-транзистора достигает сотен кОм. Входное сопротивление определяется токами утечки в цепи затвора и составляет сотни ГОм и более.
Величины крутизны и внутреннего сопротивления однозначно определяют коэффициент усиления по напряжению МДП-транзистора:
μ у = |
dUcи |
|
= SRi |
(13.3) |
dU зи |
|
|||
|
|
Ic =const |
|
|
|
|
|
13.5. Принцип работы полевого транзистора с управляющим n-p переходом
В полевых транзисторах с управляющим n-p переходом (ПТУП) для
управления проводимостью канала используется эффект изменения ширины области пространственного заряда (ОПЗ) обратно смещенного перехода при изменении приложенного к нему обратного напряжения. На рис. 13.5 показана упрощенная конструкция n-канального транзистора, в котором для управления используется обратносмещенный p+-n переход.
|
y |
|
– Затвор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p+ |
|
b |
Исток |
w0 |
w |
ОПЗ |
x |
Сток |
|
+ |
||||
|
n |
|
|
||
|
|
ОПЗ |
|
||
|
|
|
|
||
|
|
|
p+ |
|
|
|
|
|
l |
|
|
Рис. 13.5. Полевой транзистор с управляющим n-p переходом |
|||||
В отличие от МДП-транзисторов управляющая цепь в транзисторах ПТУП отделена от канала n-p переходом, при этом канал расположен в объеме полупроводника (рис. 13.5) и существует при нулевом напряжении на затворе, т.е. является встроенным каналом. На затвор в этом случае можно подавать только обратное напряжение, и поэтому полевые транзисторы с управляющим n-p переходом работают в режиме обеднения канала носителями заряда.
223
Поскольку ОПЗ n-p перехода обладает высоким сопротивлением, то при
увеличении ширины ОПЗ сечение канала уменьшается и его сопротивление возрастает. Самое низкое сопротивление канала и соответственно самый большой ток через него будет при нулевом напряжении на затворе (Uзи = 0). По мере увеличения ширины ОПЗ при возрастании Uзи и, соответственно,
уменьшении сечения канала ток будет падать и при некотором напряжении отсечки Uо канал полностью перекроется и ток через него перестанет возрастать:
I |
|
= I |
é1- |
|
|
U зи |
|
|
ù2 |
(13.4) |
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
C |
|
ú |
||||||||
|
|
C max ê |
|
|||||||
|
|
|
ë |
|
|
Uo û |
|
|||
Соответствующие вольтамперные характеристика ПТУП приведены на рис. 13.6 б.
Рис. 13.6. Вольтамперные характеристики полевого транзистора с управляющим n-p переходом
Рассмотрим процессы в канале ПТУП при подаче на него напряжения сток-исток. Так же, как и в МДП-транзисторе, толщина канала в этом случае будет зависеть не только от напряжения на затворе, но и напряжения сток- исток, которое распределяется вдоль канала. Таким образом, в точке канала с координатой х падение напряжения сток-исток равно U(х), а напряжение на переходе затвора соответственно Uзи + U(х). В результате толщина канала w будет зависеть от координаты х:
w(x) = w0 |
é |
- |
U ЗИ |
+ U (х)ù |
|
||
ê1 |
|
|
|
ú |
(13.5) |
||
|
|
U о |
|||||
|
ë |
|
|
|
û |
|
|
При увеличении напряжения сток-исток толщина канала будет уменьшаться, прежде всего, вблизи стока. Когда напряжение достигнет граничного значения Uнас, канал в точке x = l перекрывается ОПЗ. Дальнейшее увеличение напряжения сток-исток приводит к заполнению канала ОПЗ. Так как сопротивление ОПЗ существенно выше сопротивления
224
канала, |
все изменение напряжения U = Uси – Uнас |
будет приложено к ОПЗ |
||
длиной |
l. Соответственно ток стока остается постоянным и равным |
|||
|
ICнас » |
Uнас |
. |
(13.6) |
|
|
|||
|
|
Rкан |
|
|
где Rкан = l/w0ab – сопротивление канала транзистора в открытом состоянии. В действительности наблюдается незначительное увеличение тока стока,
которое связано с уменьшением длины канала, и, соответственно, уменьшением его сопротивления.
Крутизна сток-затворной характеристики ПТУП в области насыщения определяется выражением:
|
¶J |
c |
|
1 |
æ |
|
U |
з |
ö |
|
|
S = |
|
= |
|
ç1 |
- |
|
|
÷. |
(13.7) |
||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
¶U з |
|
|
ç |
|
U0 |
÷ |
|
|||
|
|
Rкан è |
|
ø |
|
||||||
Как видно из (13.7), с ростом напряжения затвора крутизна для полевого транзистора с управляющим n-p переходом уменьшается.
13.6. Частотные характеристики МДП-танзисторов
Быстродействие полевых транзисторов определяется главным образом распределенными емкостями, присущими их физической структуре. Упрощенная физическая эквивалентная схема МДП-транзистора, включенного по схеме с общим истоком, в которой учтено наличие таких емкостей, показана на рис. 13.7.
Рис. 13.7. Эквивалентная схема МДП-транзистора при работе на высоких
частотах
Конденсаторы в эквивалентной схеме характеризуют следующие емкости структуры: Сзи – емкость затвор – исток, Сзс –затвор – сток, Ссп – сток – подложка. Резистор Ri характеризует внутреннее сопротивление транзистора.
Предельная частота работы полевых транзисторов связана с постоянной времени перезарядки емкости затвор – канал через резистор, сопротивление которого определяется сопротивлением канала. Время процесса перезарядки
этой емкости при малом внешнем сопротивлении в цепи затвора ограничивают рабочий диапазон частот полевого транзистора с изолированным затвором частотами около 10 ГГц, т.е. принципиально такие
225