Дипломная работа: Разработка интегральной микросхемы истокового повторителя для слухового аппарата

Следовательно, зависимость I_D (V_DS ) линейная при условии малых напряжений сток-исток. Квадратичная зависимость I_D (V_GS ) в уравнении (6) следует из предположения о резком характере перехода затвор-канал.

Из уравнения (6) видно, что I_D будет максимальным при напряжении V_GS = 0, будет уменьшаться с увеличением V_gs и станет равным нулю при таком V_gs , при котором вся область канала будет обеднена.

Теперь рассмотрим произвольные значения V_ds и V_gs при условии, что

V_gs < 0.

????? ???????? ?????????? V_ds ????????????, ?????????? ??????-????? ? ??????? ?????????? y . ?????????????, ?????? ?????????? ???????, ?, ?????????????, ? ?????????? ??????? ?????? ????? ?????????? ? ???????????. ? ?????? n-????????? ???? ??????? ?????????? ?? ?????????? ??????? ?????? ????? ??????, ??? ?????? ??????. ???????, ?????? ????? ?????????? ??????? ????, ??? ???????? ?? ??????? 5.

Рисунок 5 – Изменение ширины обедненной области вдоль канала, когда напряжение на стоке больше напряжения на истоке

При рассмотрении физических принципов работы используется аппроксимация плавного канала. Эта аппроксимация предполагает, что ширина канала и обедненной области изменяются медленно от истока к стоку так, что ширина обедненной области зависит только от полей в вертикальном направлении, а не от полей, простирающихся от стока к истоку. Другими словами, поле в обедненной области в направлении y – намного меньше, чем в направлении x , и ширина обедненной области может быть выражена, проведя одномерный анализ структуры.

В пределах этой аппроксимации, выражение для приращения падения напряжения на малом сечении канала длиной dy в направлении y может быть записано как

(7)

Ширина обедненной области теперь изменяется напряжением [V_gs – V(y)], где V(y) – потенциал канала в точке y , таким образом

.(8)

Это выражение подставим в уравнение (7), которое затем, интегрируя в пределах от истока до стока, мы получим вольтамперную характеристику ПТУП

.(9)

После интегрирования и преобразования,

.(10)

При малых напряжениях стока, уравнение (10) упрощается до (6); при больших напряжениях стока, уравнение (10) показывает, что ток максимален при V_GS = 0 и начинает уменьшаться с увеличением V_GS . Из рисунка 6 видно, что с увеличением напряжения стока, ширина проводящего канала вблизи стока уменьшается, пока, наконец, канал полностью не перекроется в этой области (рисунок 6 б).

?) V_DS ????? ????, ????? ????? ??????????????? ? ??????? ?????????? ???????? ?????????. ?) V_DS ????????????? ?? V_{D , sat} , ?????????? ??????? ? ???? ?????? ?????? ????????????? ? ????? ??????? y = L . ?) V_DS >V_{D , sat} , ????? ??????? y = L’ ???????? ???????? ????? ? ??????.

Рисунок 6 – Поведение обедненных областей в ПТУП

Когда это происходит, уравнение (6) становится неопределенным (W →d). Поэтому эти формулы справедливы только для V_ds ниже напряжения стока, которое перекрывает канал. Ток продолжает протекать, когда канал перекрылся, так как нет никакого барьера для переноса электронов, перемещающихся по каналу к стоку. Поскольку они достигают края сомкнутой области, они перемещаются через нее полем, направленным от стока к истоку. Если смещение стока далее увеличивать, любое дополнительное напряжение падает на обедненной области – области высоких полей вблизи стока, и точка, в которой канал полностью обедняется, медленно перемещается к истоку (рисунок 6 в).

Если пренебречь таким медленным перемещением, ток стока остается постоянным (насыщается), в то время как напряжение стока увеличивается, и условие смещения называется режимом насыщения. Напряжение стока, при котором канал полностью обедняется вблизи стока, находится из уравнения (8)

(11)

где V_p = qN_D d² /2e_s – напряжение отсечки и V_to = V_P – f₀ – пороговое напряжение.

Из выражений (10) и (11) ток стока насыщения находится как

.(12)

Максимальное значение I_d,sat определяется I_dss = G_O V_P /3 и достигается при V_gs = 0. Если построить нормированную зависимость I_d,sat /I_dss от V_gs /V_p , то результирующая кривая будет выглядеть, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7 – Нормированная передаточная характеристика ПТУП с резким p-n-переходом, сравниваемая с квадратичной характеристикой

Также на рисунке 7 построена квадратичная передаточная характеристика, определяемая соотношением

.(13)

Две характеристики находятся очень близко друг к другу, и уравнение (13) обычно используется как аппроксимация характеристики ПТУП в области насыщения.

Характеристика I_d от V_ds может быть разделена на три области, как показано на рисунке 8: 1 – линейная область при малых напряжениях стока; 2 – нелинейная область увеличения тока стока с увеличением напряжения стока; 3 – область насыщения, где ток стока относительно постоянен с дальнейшим увеличением напряжения на стоке.

Рисунок 8 – Выходные характеристики I_D (V_DS ) n-канального ПТУП при

изменении напряжения на затворе

Уравнение (13) показывает, что ток будет максимален при нулевом напряжении на затворе, и будет уменьшаться при приложении к затвору отрицательного напряжения.

Поскольку напряжение на затворе становится более отрицательным, напряжение стока насыщения и соответствующий ток уменьшаются. При каком-то отрицательном значении напряжения на затворе, ток стока насыщения станет равным нулю. Это напряжение называется пороговым напряжением V_to , которое находится из уравнения (11).

.(14)

Полевые транзисторы часто работают в режиме насыщения, когда заметное влияние на выходной ток оказывает не выходное напряжение – напряжение стока, а только входное – напряжение на затворе. В таком режиме смещения ПТУП почти идеальный источник тока, управляемый входным напряжением.