книги из ГПНТБ / Агаханян Т.М. Основы транзисторной электроники

обратно смещенных р-п переходов, которые образуются между затвором п каналом п между подложкой и каналом.

распределенной структуры: металлический затвор — диэлектрик— канал, конструктивными емкостями между выводом затвора и выводами истока и стока, а также эффектом модуляции объемного заряда в канале транзистора. Емкость сток—исток Сс и , обуслов­ ленная модуляцией заряда в канале при изменении напряжения сток—исток ис „, значительно меньше емкости затвора относи­

истоком. Эквивалентная схема таких транзисторов приведена на рис. 6-21.

В общем случае элементы рассмотренных эквивалентных схем являются нелинейными. Когда же транзистор работает в линей­ ном режиме, т. е. когда переменные составляющие напряжений и токов существенно меньше постоянных составляющих, можно использовать дифференциальные значения параметров транзи­ стора.

Эквивалентная, схема для большого сигнала

В том случае, когда транзистор работает при большом сиг­ нале, т. е. используется в нелинейном режиме, можно восполь­ зоваться эквивалентными схемами, приведенными на рис. 6-20 и

240

6-21. Однако необходимо учитывать зависимость параметров тран­ зистора от потенциалов на электродах, т. е. от режима. Обычно учитывают лишь нелинейную зависимость статических парамет­ ров. Величины емкостей несущественно зависят от потенцалов на электродах, и этой зависимостью можно пренебречь. Это оправды­ вается и тем, что основной вклад в межэлектродные емкости вно­ сят паразитные емкости корпуса транзистора и емкости между выводами (емкости транзистора равны нескольким десятым долям ппкофарады или единицам пикофарад, а паразитные емкости монтажа — не менее 1—2 пф). Поэтому при расчетах целесооб­ разно пользоваться значениями емкостей, которые определены экспериментально.

Нелинейную зависимость тока стока / с от напряжений на электродах можно учитывать, заменив генераторы токов в экви­ валентных схемах идеальным источником тока 1С и выразив ве­ личину последнего аналитическими соотношениями (6-18) и (6-19). Изменение же тока стока в пологой области можно учитывать, сохранив в схеме ri при работе транзистора в пологой области.

Можно составить эквивалентную схему для большого сигнала [Л, 79], учитывающую симметрию полевого транзистора относи­ тельно истока и стока. Эти электроды взаимообратимы и определя­ ются лишь направлением тока в канале.

Эквивалентная схема для расчета сдвига рабочей точки

Для определения отклонения тока стока 7С от номинальной величины вследствие температурной нестабильности и разброса параметров применяется эквивалентная схема, приведенная на

Для полевых транзисторов применяются П-образные эквива­ лентные схемы, которые удобны для замещения приборов, управ­ ляемых напряжением.

241

6-8. ДОБРОТНОСТЬ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

Как уже отмечалось (см. § 5-10), усилительные и импульсные свойства транзистора характеризуются добротностью, опре­ деляемой отношением коэффициента усиления ко времени нара­ стания фронта выходного импульса. Добротность полевого тран­ зистора может быть представлена в виде

затвора (относительно канала), которая складывается из емкостей затвор—исток и сток—затвор.

Для того чтобы выяснить, какие имеются возможности повы­ шения добротности, выразим Дп т р через электрофизические параметры полупроводникового кристалла. Эту задачу сравни­ тельно просто можно решить следующим образом. Емкость С3 н

В МДП-транзисторах изменение заряда на металлическом затворе равно изменению заряда основных носителей в канале, т. е. AQ3 та А00С. Приращение заряда в канале AQ

vМ-ос^каи

—среднее время пролета основных носителей через канал, равное отношению эффективной длины канала к средней скорости носи­ телей заряда v = |ло с Екан. Поскольку падение напряжения на

243

=^о.пер/^кан.эфф- Подставив в формулу(6-37) приращение заряда,

равное

В транзисторе с управляющим р-« переходом приращение заряда Д@з равно приращению заряда в обедненном слое. По­ следнее в свою очередь равно изменению заряда подвижных носи­ телей в той части канала, которая либо обедняется основными носителями заряда (если переход расширяется), либо обогаща­ ется (если переход сужается). Следовательно, и добротность тран­ зистора с управляющим р-п переходом определяется соотноше­ ниями (6-39).

ных носителей заряда от истока к стоку происходит перезаряд емкости затвора С3 к.

Из выражения (6-39а) следует, что добротность полевого транзистора возрастает с повышением потенциала на затворе U3. и (при больших U3 .и увеличивается абсолютная величина напряжения перекрытия Uc. пер и умень­

шается эффективная длина канала L K a H . эфф)- Это следует иметь в виду при разработке электронных схем.

Добротность транзистора можно повысить конструктивным путем, умень­

циала U3, и, влияет на добротность транзистора по двум причинам: при задан­

ных потенциалах затвора и стока оно приводит, во-первых, к увеличению напряжения перекрытия и, во-вторых, к уменьшению эффективной длины канала. В транзисторах с управляющим р-п переходом напряжение отсечки

можно уменьшить сужением канала и снижением концентрации прпмесей в канале JVK a „ или их крутизны нарастания а = Д Л г к а н / А WKaH [см. выражения

(6-5) и (6-6)].

Величиной порогового напряжения транзистора с индуцированным ка­ налом Un0p [см. (6-11)] и напряжения отсечки транзистора со встроенным

каналом можно управлять изменением параметров подложки ( е п и JVn ) и диэлектрического слоя ( е д и WR), а также изменением равновесного значения

потенциала поверхности я|з80, которое определяется концентрацией поверх­ ностных уровней.

Величины иПор и U0 можно уменьшить технологическим путем,применив в качестве диэлектрика не двуокись, а нитрид кремния SiaN4 (диэлектрическая

проницаемость S i 3 N 4 вдвое больше, чем у SiOa ). Уменьшение порогового на­ пряжения достигается также правильным выбором кристаллографической ориентации полупроводниковой подложки, при которой заряд поверхностных состояний (и соответственно i|)so ) получается меньшей величины. Абсолютные величины Unop и U0 уменьшаются при использовании в качестве материала

затвора сильно легированного кремния вместо металла [JI. 80] (из-за уменыпе-

243

ппя контактной разностн потенциалов между затвором п подложкой). Следует отметпть, что МДП-транзпсторы, капал которых получается понпым легиро­ ванием, обладают меньшим значением напряжения отсечки [Л. 39].

Добротность полевого транзистора повышается с уменьшением длины ка­ нала Z/цан, так как прп этом сокращается и его эффективная длина Ькяп, Эфф.

Длину канала чрезмерно уменьшить нельзя, так как это осложняет техноло­ гию изготовления приборов: повышаются требования к точности пзготовлеппя и совмещения фотошаблонов, снижается процепт годных приборов и т. д. В настоящее время выпускаются быстродействующие трапзпеторы с длиной канала 5 мн.ч. Прп такой длине капала добротность транзистора достигает 1—3 Ггц. В сверхвысокочастотных МДП-транзнсторах, изготовляемых двой­ ной диффузией, удается создавать канал длиной 0,4—2 мк.ч, и их добротность превышает 10 Ггц [Л. 81]. Однако в реальных электронных схемах доброт­

ность транзистора значительно снижается из-за н а л т п я паразитной обратной связп, возникающей через емкость сток—затвор С3 , с и монтажные емкости схемы.

В заключение отметим, что при заданной добротности транзистора Д1и т р крутизну характеристики S можно увеличить расширением канала в попереч­

ном направлении. Прп этом одновременно возрастает и суммарная емкость затвора С3. к (увеличивается, площадь затвора, который является обкладкой

этой емкостп). Емкость С3 . „ возрастает во столько же раз, во сколько увели­ чивается крутизна S, а добротность Д т р но меняется.

6-9. ШУМЫ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Проводящий канал полевых транзисторов является управляемым сопро­ тивлением. Как и у всякого сопротивления, минимальный шум определяется тепловым шумом, вызванным хаотическим движением подвпжпых носителей заряда. Тепловой шум канала равномерно распределен по частоте (белый шум). Он пропорционален общему заряду носителей в канале. Поскольку крутизна вольт-амперной характеристики определяется этим же зарядом, то величину шумового тока удобно определять по формуле [Л. 82]

где кш — коэффициент, зависящий от режима транзистора по постоянному току.

В малошумящпх усилителях, построенных на транзисторах с управляю­ щим р-п переходом, обычно выбирают режим работы U3. н = 0, | Uc. п | > > | Uо |i в котором транзистор обладает максимальной крутизной пнаимень­

шими тепловыми шумами. Для такого режима /сш = 2 / 3 и шумовой ток канала определяется соотношением

= -д <рт е£Д/.

Для МДП-транзпсторов коэффициент кш определяется не только режи­ мом смещения, но п технологическими параметрами — толщиной диэлект­ рика, концентрацией прпмесп в подложке [Л. 83, 84] — и лежит в пределах от 2 / 3 до 10.

Вторая составляющая шумов полевых транзисторов, называемых дро­ бовыми шумами затвора, становится заметной при больших сопротивлениях в цепи затвора. Эти шумы обусловливаются двумя составляющими тока:

244

во-перпых, ток — 1 3 1 , который образуется потоком электронов, покидающих затвор, п потоком дырок, его достигающих; и, во-вторых, ток — / 3 2 , который образуется потоком электронов, достигающих затвора, и потоком дырок, по­ кидающих его. Дробовая составляющая шумового тока определяется форму­ лой

Источники тепловых и дробовых шумов различны, поэтому тепловой и дробовой шумовые токи некоррелированы, т. е.

'ш.з^ш.кан—0.

Особенностью полевых транзисторов является емкостная связь между каналом н затвором. Эта связь приводит к тому, что шумы в цепи затвора возрастают с повышением частоты [Л. 85]. Флуктуации заряда в канале, опре­ деляемые тепловым шумом, влияют на ширину обедненного слоя р-п перехода,

что в свою очередь вызывает флуктуацию заряда в прилегающей области эатвора. Это вызывает дополнительный шумовой ток в цепи затвора, величина которого определяется емкостной связью канала с затвором и возрастает с повышением частоты. На высоких частотах дополнительная составляющая шумового тока затвора может превышать дробовой шум. Таким образом, шу­ мовой ток затвора будет частично коррелирован с шумовым током канала. Строго говоря, транзистор следует рассматривать как активную линию с рас­ пределенными параметрами и на основании этого рассчитывать коэффициент корреляции между токами. Поскольку емкостные токи в затворе малы по сравнению с токами проводимости канала, то вклад теплового шума в дробо­ вой шум затвора можно определить как действие сигнала, передаваемого пз канала в затвор через эквивалентную сосредоточенную емкость С3, с . Эта воз­

можность подтверждается и экспериментами [Л. 86].

На рпс. 6-23 приведена эквивалентная шумовая схема полевого транзи­ стора. В этой схеме тепловой шум характеризуется генератором тока гш , к а п , дробовой шум — генератором гш . 3 . Токп генераторов определяются соот­ ветственно соотношениями (6-40) и (6-41). В эквивалентной схеме не учиты­ ваются тепловые шумы на объемных сопротивлениях областей истока г„ и стока г с (эти шумы сравнительно малы). При необходимости их можно учесть, включив последовательно с выводами истока и стока эквивалентной

245

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ1

1 Обозначения, отмеченные индексами л и р , если не оговорено, представ­ ляют собой соответствующие величины для электронов и дырок.

247

* Дополнптельньвш пндексааш N п I отмечены величины, характеризую­

щие соответственно нормально и инверсно направленные потоки.

249