Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Полевой транзистор с затвором в виде р-n перехода



Рассмотрим характеристики полевого транзистора, затвор у которого выполнен в виде р-n перехода. На рисунке 6.20 показана одна из возможных топологий такого транзистора. Омические контакты к левой и правой граням полупроводниковой подложки будут являться истоком и стоком, область квазинейтрального объема, заключенная между обедненными областями р-n переходов - каналом, а сильно легированные n+ области сверху и снизу - затвором полевого транзистора. Конструктивно ПТ с затвором в виде р-n перехода может быть выполнен с использованием планарной технологии и в различных других вариантах.

При приложении напряжения VGS к затвору ПТ, обеспечивающего обратное смещение р-n перехода (VGS > 0), происходит расширение обедненной области р-n перехода в полупроводниковую подложку, поскольку затвор легирован существенно сильнее, чем подложка (ND >> NA). При этом уменьшается поперечное сечение канала, а следовательно, увеличивается его сопротивление. Приложенное напряжение исток-сток VDS вызовет ток в цепи канала полевого транзистора. Знак напряжения VDS необходимо выбирать таким образом, чтобы оно также вызывало обратное смещение затворного р-n перехода, то есть было бы противоположно по знаку напряжению VGS. Таким образом, полевой транзистор с затвором в виде р-n перехода представляет собой сопротивление, величина которого регулируется внешним напряжением.

 

Рис. 6.20. Схематическое изображение полевого транзистора с затвором в виде р-n перехода

Получим вольт-амперную характеристику транзистора. Здесь, как и ранее, ось у направим вдоль канала, ось х - по ширине канала, ось z - по глубине канала. Обозначим длину, ширину и высоту канала при отсутствии напряжения на транзисторе как L, W, Н (VGS = VDS = 0).

При приложении напряжения к затвору VGS > 0 и стоку VDS < 0 произойдет расширение обедненной области р-n перехода на величину Δlоб, равную:

(6.88)

Поскольку напряжение исток-сток VDS распределено вдоль канала VDS(у), то изменение ширины канала транзистора будет различно по длине канала. При этом высота канала h(y) будет равна:

(6.89)

Введем напряжение смыкания VG0 - напряжение на затворе, когда в квазиравновесных условиях (VDS = 0) обедненные области р-n переходов смыкаются: h(y) = 0.

Тогда из (6.89) следует, что

(6.90)

Соотношение (6.89) с учетом (6.90) можно переписать в виде:

(6.91)

Выделим на длине канала участок от у до у+dy, сопротивление которого будет dR(y). При токе канала IDS на элементе dy будет падение напряжения dVDS(y), равное:

(6.92)

Величина сопротивления dR(y) будет равна:

(6.93)

Подставим (6.92) в (6.93) и проведем интегрирование по длине канала:

(6.94)

Поскольку удельное объемное сопротивление ρ равно ρ = (qμpp0)-1, преобразуем величину WH/ρ:

(6.95)

Здесь Qp(y = 0) = qρ0H - заряд свободных дырок в канале на единицу площади.

Подставляя (6.95) в (6.94) и проведя интегрирование, получаем следующую зависимость тока стока IDS от напряжения на затворе VG и стоке VDS для полевого транзистора с затвором в виде р-n перехода:

(6.96)

При малых значениях напряжения исток сток в области плавного канала VDS << VG ток IDS равен:

(6.97)

Если сравнить соотношение (6.97) с выражением (6.10) для тока стока МДП полевого транзистора в области плавного канала, то видно, что эти выражения совпадают при малых значениях напряжения VDS.

Из (6.91) следует, что при напряжениях VG < VG0 всегда можно найти такое напряжение на стоке VDS, когда вблизи стока произойдет смыкание канала: h(y = L, VG, VDS) = 0.

Аналогично процессам в МДП ПТ это явление называется отсечкой. Из (6.91) следует, что напряжение отсечки VDS* будет равно:

(6.98)

Также заметим, что выражение (6.98) аналогично соотношению (6.11) для напряжения отсечки МОП ПТ, а напряжение смыкания VG0 имеет аналогом величину порогового напряжения VТ.

По мере роста напряжения исток сток VDS точка отсечки перемещается от истока к стоку. При этом аналогично МДП ПТ наблюдаются независимость тока стока от напряжения на стоке и эффект модуляции длины канала. Подставляя (6.98) в (6.96), получаем зависимость тока стока IDS в области отсечки для полевого транзистора с затвором в виде р-n перехода:

(6.99)

В области отсечки выражение (6.99) хорошо аппроксимируется квадратичной зависимостью вида:

(6.100)

На рисунке 6.21а, б показаны вольт-амперные характеристики в ПТ с затвором в виде р-n перехода. Их отличительной особенностью является то, что при напряжении на затворе VG = 0 канал транзистора открыт и величина тока через него максимальна.

Рис. 6.21. Характеристики транзистора КП302Б:
а) выходные характеристики; б) начальные участки выходных характеристик

Быстродействие ПТ с затвором в виде р-n переходов обусловлено зарядкой барьерных емкостей СG затворных р-n переходов через сопротивление канала RK. Величина времени заряда τ = VG·RK. Емкость затвора СG и сопротивление канала RK равны:

(6.101)

(6.102)

Выражение (6.102) имеет минимальное значение при ширине обедненной области Δlоб = H/4, при этом граничная частота

(6.103)

При значениях H = L для кремния (εs = 11,8) с удельным сопротивлением ρ, равным ρ = 1 Ом·см, граничная частота будет составлять величину несколько гигагерц.

 

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.