Полевые транзисторы - Полевой транзистор с затвором в виде р-n переходаТвердотельная электроника. Учебное пособие.
6.16. 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.
Copyright © 2003-2008 Авторы
| Ваш комментарий к статье | ||||
