Курсовая работа: Полевой эффект и его применение

Основным преимуществом этого прибора являлось высокое входное сопротивление за счет включения управляющего р-n перехода в запорном направлении. Однако трудности изготовления униполярного транзистора при существовавшем уровне техники были весьма значительными,- и несмотря на то, что вскоре после опубликования работы Шокли были описаны приборы, изготовленные на кремнии и германии, широкого практического применения они не нашли. Ситуация изменилась с появлением технологии маскирования, диффузии и эпитаксиального наращивания, позволившей изготовлять качественные полевые приборы с хорошей воспроизводимостью параметров.

Интерес к полевым транзисторам с изолированным затвором оживился после успешных экспериментов Аталлы и др. [5] по пассивации поверхности кремния наращиванием слоя окисла. В этих опытах была получена достаточно низкая плотность поверхностных состояний, ответственных за захват заряда, наведенного управляющим электродом. В 1960 г. Канг и Аталла [6] предложили использовать структуру металл — окисел — полупроводник (МОП), в которой металлический электрод управлял проводимостью между двумя обратно смещенными диодами, расположенными на поверхности полупроводника. Этот прибор, названный МОП-транзистором, в дальнейшем был усовершенствован Хофштейном и Хайманом [7], которые описали транзисторы, работающие в режиме обогащения или обеднения, в зависимости от напряжения, на затворе. Большой вклад в развитие теории полевого транзистора был сделан Иантоллой, Моллом и Са [8, 9].

Параллельно с этими разработками велись исследования другой разновидности полевых приборов, использующих тонкие поликристаллические полупроводниковые пленки. Первый пленочный полевой транзистор (ППТ) был разработан Ваймером с сотрудниками [10] в лаборатории фирмы «Рэдио корпорейшн оф Америка». Впоследствии было исследовано достаточно большое количество структур с применением различных полупроводниковых материалов, однако проблемы захвата заряда и стабильности параметров для них еще полностью не разрешены. Вследствие этого тонкопленочные транзисторы не используются так широко, как приборы с МОП-структурой.

1.3 Полевой транзистор с управляющим р—n-переходом (ПТУП)

Схематическое изображение ПТ с управляющим р-n переходом (униполярный транзистор Шокли) приведено на рис. 3 .

Прибор состоит из области с проводимостью n- (или р-) типа, имеющей омические контакты, называемые истоком и стоком, и двух областей р- (или n-) типа, называемых затворами .

На рис. 3, а показан случай нулевого напряжения на всех электродах. За счет наличия обедненных областей вблизи р-n переходов толщина проводящего канала между истоком и стоком меньше геометрического сечения n-области. Если к затворам приложить обратное смещение V_GS , toразмеры областей пространственного заряда (ОПЗ) увеличиваются и толщина проводящего канала еще более уменьшается (рис. 3, б).

При приложении к стоку положительного по отношению к истоку напряжения V_DS по каналу течет ток I_D основных носителей (электронов), а толщина ОПЗ у стокового конца затвора увеличивается вследствие возрастания обратного напряжения между затвором и каналом (рис. 3, в). Таким образом, возрастание V_DS приводит к увеличению сопротивления канала за счет уменьшения «горловины» вблизи стока. При достаточно больших значениях V_DS области пространственного заряда смыкаются (рис. 3, г) и дальнейшее увеличение V_DS практически не вызывает возрастания тока (режим насыщения). Напряжение между затвором и стоком, соответствующее смыканию ОПЗ, называется напряжением перекрытия V_{p 0} . Следует отметить, что канал может быть полностью перекрыт только при I_D =0. При работе прибора в режиме насыщения вблизи стока существует очень узкая проводящая область, в которой плотность тока и электрическое поле велики. На стоковых характеристиках ПТУП (рис. 4, а) точки сечения штриховой линии с кривыми I_D (V_DS /V_PO ) соответствуют началу режима насыщения.

На практике при насыщении все же наблюдается незначительное возрастание тока с ростом V_DS (рис. 4,б), причины которого полностью не ясны. По-видимому, это возрастание связано с распространением ОПЗ по направлению к стоковому контакту и частично с увеличением электрического поля в канале. За счет расширения области смыкания в сторону истока ток стока возрастает так, как если бы длина затворов уменьшалась, а толщина канала оставалась постоянной. Это явление, называемое эффектом укорочения канала, определяет конечную величину сопротивления канала при увеличении V_DS .

Рассмотрим влияние напряжения затвора на характеристики прибора. Пусть , aV_GS = 0. Этот случай соответствует ненасыщенному режиму работы (рис. 2,а). При увеличении обратного смещения на затворе толщина канала уменьшается, ток стока падает, и при , где и , наступает режим насыщения. Таким образом, с ростом значение V_DS , соответствующее началу насыщения, уменьшается. С дальнейшим возрастанием |V_GS | ток стока становится равным нулю при V_GS =V_PO . При этом канал полностью перекрыт и представляет собой сплошную обедненную область.

Низкочастотная эквивалентная схема ПТУП для малых сигналов приведена на рис. 5 [4], где r_g и r_ds — дифференциальные сопротивления затвора и стока соответственно,

— крутизна передаточной характеристики.

Для типичных маломощных кремниевых приборов в режиме насыщения 109 Ом, 30 кОм, 2 мА/В. Путем увеличения рабочей площади транзистора крутизна может быть повышена до 100 мА/В, а допустимая мощность рассеяния до 10 и более ватт; однако при этом величины r_g и r_ds уменьшаются, а входная емкость возрастает.

Стоковые характеристики ПТУП с достаточной степенью точности могут быть аппроксимированы выражением [17]:

(7)

где I_DO — ток стока при V_GS = 0; n — константа, лежащая в пределах 1,5—2,5; штрихом здесь и далее обозначаются величины параметров для режима насыщения.

Дифференцирование (7) дает выражение для крутизны передаточной характеристики:

(8)

Максимальная крутизна, которую можно получить, не смещая управляющий переход в прямом направлении, будет соответствовать V_GS = 0. Обозначая это значение крутизны через g_mo , из (8) получаем

(9)

Поскольку n»2, а минимальная величина V_{P 0} , получаемая на практике «1В, то максимально достижимое значение g_mo /I_DO составляет »2 В^-1 . Отношение g_mo /I_DO является удобным параметром, характеризующим качество работы прибора на низких частотах.

Преимуществами ПТУП по сравнению с биполярными транзисторами являются не только его высокое входное сопротивление, но и более низкий коэффициент шума, а также возможность подбора смещения, обеспечивающего нулевой температурный коэффициент тока стока.

Рис. 6. Приближенная высокочастотная эквивалентная схема ПТУП

Важными параметрами ПТУП являются его высокочастотные и переключающие свойства. Поскольку ПТУП представляет собой прибор, работающий на основных носителях, для него отсутствуют эффекты накопления заряда, свойственные биполярным транзисторам.

При рассмотрении высокочастотных свойств ПТУП его удобно представить как прибор, управляемый зарядом, так как для изменения тока стока необходимо изменить полный заряд в обедненной области канала. Скорость изменения этого заряда зависит от постоянной времени, определяемой величиной барьерной емкости затвор — канал и сопротивлением канала, которое достаточно велико. Эта постоянная времени и ограничивает возможности работы прибора на высоких частотах.

Точная эквивалентная схема областей затвора и канала представляет собой распределенную RC-цепь [18]. Для упрощения ее часто заменяют приближенной моделью, представленной на рис. 6 [19], где C_gd + C_gs — полная емкость затвор-канал, aR_gd и R_gs — составляющие сопротивления канала.

В режиме насыщения и в отсутствие эффекта укорочения канала C_gd ®0, aR_gd ®¥В реальном же случае емкость C_gd остается отличной от нуля, хотя и значительно меньшей, чем в ненасыщенном режиме. Если в цепи стока включено нагрузочное сопротивление, эквивалентная входная емкость может сильно возрасти за счет эффекта Миллера аналогично увеличению проходной емкости лампового триода.

1.4 Транзисторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП)

МДП-транзистор представляет собой полевой прибор, в котором металлический затвор изолирован от полупроводника тонким слоем диэлектрика. Пленочные полевые транзисторы (ППТ обычно относят к другому классу, поскольку в отличие от МДП-приборов они выполняются на изолирующей подложке. Кроме того, ППТ имеют значительно меньшую толщину активной области полупроводника.