Лекция 15 микроэлектроника

8 Униполярные транзисторы

В классе полевых транзисторов различают транзисторы с управляющим pn-переходом и транзисторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП- транзисторы).

8.1 Полевой транзистор с управляющим pn- переходом (ПТУП)

С помощью pn-перехода, включенного в обратном направлении, возможно в объеме кристалла создать область с управляемым сечением, будем называть её каналом. Поскольку в таких структурах мощность, затрачиваемая на управление сечением канала, значительно меньше мощности, которую может отдавать в нагрузку проходящий через сечение управляемый ток, то такие структуры нашли применение в усилительных приборах, названных полевыми транзисторами с управляющим pn-переходом, или просто полевые транзисторы. Рассмотрим структуру транзистора, представленную на рис. 8.1.

Рис. 8.1 Структура полевого транзистора с управляющим pn-переходом

Он состоит из пластины полупроводника n-типа, к торцам которой присоединены сток и исток; к боковым граням пластины присоединяется затвор; между pn-переходами располагается канал ПТУП, который имеет следующие геометрические размеры: L – длина, d -толщина и b – ширина.

Основной рабочей областью в рассматриваемой структуре служит канал, электрическое напряжение к которому прикладывается с помощью двух контактов: истока и стока. Стоком называют ту область (или тот электрод), в сторону которой текут основные носители. В полевых транзисторах сток и исток можно менять местами, сохраняя работоспособность прибора.

Канал ограничен сильно легированной p-областью образующей тело затвора, потенциал которого задается с помощью внешнего контакта. При отсутствии напряжения на затворе сопротивление канала мало, говорят, что ПТУП – нормально открытый прибор.

Тогда, используя приведенные на рис. 8.1, обозначения размеров, можно записать:

,

(8.5)

На управляющий pn-переход можно подавать только обратное напряжение, и поэтому ПТУП работает в режиме обеднения канала носителями заряда.

При изменении потенциала затвора происходит изменение ширины области пространственного заряда (ОПЗ) pn-перехода и соответственно изменение сечения канала. Поскольку ОПЗ обладает высоким сопротивлением, изменение сечения канала будет приводить к изменению тока через него, именно этот эффект и используется для управления током, проходящим через канал. В отличие от биполярных транзисторов в данном случае управление осуществляется потоком основных носителей заряда, поэтому принципиально эти транзисторы могут быть более быстродействующими, чем биполярные, поскольку в них отсутствует накопление избыточного заряда и не требуется время на его создание и рассасывание при изменении входного сигнала.

В приведенной на рисунке структуре, канал обладает электронной проводимостью. Аналогичная структура может быть создана с каналом p-типа.

Рассмотрим процессы в канале ПТУП при U_си=0. При подаче обратного смещения на затвор относительно истока (U_зи) ОПЗ расширяется, соответственно, толщина проводящего канала уменьшается и сопротивление канала увеличивается.

.

(8.1)

где d₀ – исходная максимально возможная толщина канала (U_зи=0)

При некотором значении U_зи ОПЗ занимает весь канал (2∙w=d₀) – происходит так называемая отсечка канала. Из (8.1) нетрудно выразить напряжение U_отс, при котором достигается отсечка канала – напряжение отсечки (при d=0):

,

(8.2)

тогда

.

(8.3)

Рассмотрим процессы в канале ПТУП при U_си≠0. Транзистор включается таким образом, чтобы pn-переход затвора находился под обратным смещением, а полярность напряжения исток – сток выбирается такой, чтобы основные носители заряда под действием электрического поля в канале смещались к стоку. Для n-канального транзистора, показанного на рис. 8.2, на сток относительно истока должен подаваться положительный потенциал, к которому под действием поля будут дрейфовать электроны. На затвор относительно стока необходимо подавать отрицательный потенциал, чтобы затворный переход находился под обратным смещением.

Толщина канала в этом случае будет зависеть не только от U_зи, но и от U_си, которое распределяется по оси х (рис. 8.2): в точке канала с координатой падение х падение напряжения равно U(х), а напряжение на pn-переходе U_з+ U(х).

Тогда толщина канала d есть функция координаты х:

(8.4)

При увеличении U_си толщина канала будет уменьшаться прежде всего вблизи стока (рис. 8.3), а сопротивление канала расти. Когда U_си достигает граничного значения, при котором U_{си гр}= U_отс- U_зи, канал перекрывается ОПЗ.

p-канал

Рис. 8.2 Структура ПТУП при Uси гр≥ Uси

При этом вблизи стока возникает область протяженностью ΔL, сопротивление которой значительно превосходит сопротивление остального участка канала, следствием чего явится перераспределение падения напряжения вдоль канала. Практически все падение напряжения между истоком и стоком оказывается приложенным к участку ΔL.

Рис.8. Форма канала при различных значениях напряжений на затворе и стоке а) Uc мало, Uз изменяется; б) Uз=0, Uc изменяется; в) Uз=0, Uc= Ucотс ; г) Uc+ Uз> Ucотс

Дальнейшее увеличение напряжения между истоком и стоком приведет к росту величины ΔL, это приводит к увеличению сопротивления канала таким образом, что изменение тока с ростом напряжения становится незначительным, т.е. имеет место переход на участок насыщения тока стока (пологая область ВАХ).

8.1.1 Вольт-амперные характеристики ПТУП

Входная характеристика ПТУП соответствует вольт-амперной характеристике pn-перехода. Она представляет ВАХ диода затвор-исток.

Выходные характеристики транзистора, представляющие зависимости тока стока I_с от напряжения между истоком и стоком U_с, измеренные при различных значениях потенциала затвора U_з приведены на рис. 8.4,а. Самое низкое сопротивление канала и, соответственно, самый большой ток через него будет при нулевом напряжении на затворе (U_з = 0). Затем, по мере увеличения ширины ОПЗ при возрастании U_з и, соответственно, уменьшении сечения канала ток будет падать и при некотором напряжении отсечки U_отс канал полностью перекроется и ток через него перестанет протекать.

Передаточные (сток-затворные) характеристики приведены на рис.8.4,б, они представляют собой зависимости тока стока от напряжения на затворе при постоянном параметре на стоке I_c=f(U_з)|_Uс=const.

Рис. 9. Выходные ВАХ ПТ. Пунктиром показаны кривые, соответствующие выражению (8.9), штрихпунктиром — выражению (8.11).	Рис. 10. Передаточные характеристики полевого транзистора. Пунктиром показаны кривые, соответствующие выражению (8.12).

Чем круче эти характеристики, тем выше можно получить усиление в полевом транзисторе.

Выведем уравнение, описывающее ВАХ ПТУП, при этом сделаем ряд допущений. Будем считать, что подвижность носителей заряда есть величина постоянная и не зависит от концентрации носителей заряда. Потенциал, электрическое поле и плотность тока постоянны по сечению канала (одномерное приближение). Ток в канале определяется только основными носителями заряда, и при нулевом смещении ширина ОПЗ близка к нулю.

Если разность потенциалов между электродами затвор-исток и сток-исток равна нулю, то pn-переходы находятся в состоянии термодинамического равновесия, и ширина ОПЗ будет определяться уровнем легирования p- и n-областей.

,

(8.6)

где R_к0 – сопротивление канала при нулевом напряжении на затворе (минимальное сопротивление канала), ρ – удельное сопротивление материала канала, L – длина канала, b – ширина канала, d – глубина канала, S – сечение канала.

(8.7)

Падение напряжения от постоянного тока стока I_c на некотором участке dx в точке х:

.

(8.8)

Выражение (8.8) – дифференциальное уравнение относительно U(х). Решая его с граничными условиями U(х=0)=0 и U(х=L)=U_си, и пренебрегая контактной разностью потенциалов на pn-переходе, получим искомую зависимость I_c=f(U_си):

Iс = .

(8.9)

где – сопротивление полностью открытого канала. Уравнение (8.9) представляет собой кривые параболического типа и описывает семейство характеристик ПТУП в крутой части вольт-амперной характеристики. Максимум (I_с нас) соответствует точке перекрытия канала. Его положение можно определить из уравнения (8.9) при :

,

(8.10)

таким образом, U_отс = U_зи+U_си . После достижения насыщения ток стока можно считать постоянным, равным I_{с. нас}.

После перекрытия канала практически все напряжение падает в области перекрытия. Дальнейшее увеличение напряжение стока приводит к расширению области перекрытия и, соответственно, увеличению падения напряжения на ней и не сопровождается увеличением тока. В то же время ток не уменьшается, поскольку все электроны, достигшие ОПЗ, вблизи стока переносятся электрическим полем в область стока.

Пренебрегая значением и подставляя в (8.10) значение U_cи для экстремальной точки, можно получить для пологой области ВАХ:

.

(8.11)

т.е. ток стока насыщения будет максимальным при U_з = 0.

.

(8.12)

где I_с max ≈ U_отс / (3), зависимость является передаточной характеристикой ПТУП и представлена на рис. 10.

Усилительные свойства полевого транзистора принято характеризовать крутизной δ:

.

(8.13)

С ростом напряжения затвора крутизна для полевого транзистора с управляющим pn-переходом падает.

Рассмотрим влияние температуры на параметры транзистора с управляющим переходом. Изменение ВАХ ПТУП с температурой определяется температурной зависимость начальной проводимости канала. R_к0 и, соответственно, максимального тока I_cmax, а также напряжения отсечки U, эти значения влияют как на вид ВАХ, так и на величину крутизны.

Изменение с температурой R_к0 определяется температурной зависимостью электропроводности материала канала, т.е. температурными зависимостями концентрации основных носителей заряда и подвижности. На изменение напряжения отсечки, в основном, влияет изменение контактной разности потенциалов. Из уравнения (8.2)

∂Uoтс/∂T = - ∂φк/∂T,

(8.14)

С увеличением температуры контактная разность потенциалов линейно уменьшается, следовательно, с ростом температуры напряжение отсечки будет возрастать.

В настоящее время разработаны ПТУП на основе GaAs, SiC, Ge, однако наибольшее распространение получили приборы на основе Si. Существует большое количество вариантов технологического и конструктивного выполнения ПТУП, отличающихся диапазоном рабочих температур, требуемыми частотными характеристиками, величиной крутизны передаточной характеристики, диапазоном рабочих токов и напряжений, возможностью изготовления интегральных схем. Хотелось бы отметить ПТУП на основе барьера Шоттки, не требующего pn-перехода. Важным достоинством ПТУП является малый уровень собственных шумов и высокая стабильность параметров во времени. Причина этих достоинств в том, что канал в ПТУП отделен от поверхности pn-переходом, благодаря чему на границе канала с ОПЗ отсутствуют поверхностные дефекты. Следует подчеркнуть также высокую радиационную стойкость ПТУП.

Рис. 11. Конструкции полевых транзисторов с управляющим рn-переходом; изготовленного методом двойной диффузии (а); по планарной эпитаксиально-диффузионной технологии (б); с электростатическмм и приповерхностным затвором (в); конструкция полевого транзистора с барьером Шоттки (г)