4.9. Полевые транзисторы

Первоначальное название полевых транзисторов — униполярные транзисторы — было связано с тем, что в таких транзисторах используется основные носители только одного типа (электронов или дырок). Процессы инжекции и диффузии в таких транзисторах практически отсутствуют, во всяком случае, они не играют принципиальной роли. Основным способом движения носителей является дрейф в электрическом поле.

Для того чтобы управлять током в полупроводнике при постоянном электрическом поле, нужно изменять удельную проводимость полупроводникового слоя или его площадь. На практике используются оба способа и основаны они на эффекте поля (управление напряжением на затворе). Поэтому униполярные транзисторы обычно называют полевыми транзисторами. Проводящий слой, по которому протекает ток, называют каналом. Отсюда еще одно название такого класса транзисторов — канальные транзисторы.

Каналы могут быть приповерхностными и объемными. Приповерхностные каналы представляют собой либо обогащенные слои, обусловленные наличием донор-ных примесей в диэлектрике, либо инверсионные слои, образующиеся под действием внешнего поля. Объемные же каналы представляют собой участки однородного полупроводника, отделенные от поверхности обедненным слоем.

Транзисторы с объемным каналом отличаются тем, что обедненный слой создается с помощью р—га-перехода. Поэтому их часто называют полевыми транзисторами с р—п-переходом или просто полевые транзисторы. Транзисторы такого типа впервые описаны Шокли в 1952 г. [12]. В библиотеке компонентов программы EWB 4.1 они представлены двумя образцами: п-канальным ир-канальным и показаны на рис. 4.60, а и б соответственно, где 1 — затвор (gate) — управляющий электрод; 2 — исток (source)— электрод, от которого начинают движение основные носители (в первом типе — электроны, во втором — дырки); 3 — сток (drain) — электрод, принимающий эти носители.

Параметры моделей полевых транзисторов задаются с помощью диалогового окна (рис. 4.61) и перечислены ниже (в квадратных скобках приведены их обозначения в EWB 5.0).

1. Напряжение отсечки, В (Threshold voltage VTO [VTO]) — напряжение между затвором и истоком полевого транзистора с р—п- переходом или с изолированным затвором, работающих в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого напряжения. Для транзисторов с изолированным затвором, работающих в режиме обогащения, этот параметр называется пороговым напряжением.

2. Коэффициент пропорциональности, А/В2 (Transconductance coefficient В [КР]).

3. Параметр модуляции длины канала, 1/В (Channel-length modulation 1m [LAMBDA]).

4. Объемное сопротивление области стока, Ом (Drain ohmic resistance Rd [RD]).

5. Объемное сопротивление области истока, Ом (Source ohmic resistance Rs [RS]).

6. Ток насыщения р—тг-перехода, A (Gate-junction saturation current Is [IS]) — только для полевых транзисторов ср—п-переходом.

7. Емкость между затвором и стоком при нулевом смещении, Ф (Zero-bias gate-drain junction capacitance Cgd [CGD]).

8. Емкость между затвором и истоком при нулевом смещении, Ф (Zero-bias gate-source junction capacitance Cgs [CGS]).

9. Контактная разность потенциалов р—п-перехода, В (Gate-junction potential pb [РВ]) — только для полевых транзисторов ср—га-переходом.

В программе EWB 5.0 количество параметров для полевых транзисторов увеличено. Их назначение такое же, как и для рассмотренных выше биполярных транзисторов.

Отметим, что в EWB для полевых транзисторов используются модели PSpice [2].

По аналогии с биполярными транзисторами различают три схемы включения полевых транзисторов: с общим затвором (03), с общим истоком (ОИ) и с общим стоком (ОС).

Для исследования семейства выходных ВАХ полевого транзистора в схеме с ОИ может быть использована схема на рис. 4.62. Она содержит источник напряжения затвор-исток Ug, исследуемый транзистор VT, источник питания Ucc, вольтметр Ud для контроля напряжения сток-исток и амперметр Id для измерения тока стока. Выходная ВАХ снимается при фиксированных значениях Ug путем изменения напряжения Ud и измерения тока стока Id. Напряжение Ug, при котором ток Id имеет близкое к нулю значение, называется напряжением отсечки.

Располагая характеристиками Id=f(Ud), можно определить крутизну S=dId/dUg, являющейся одной из важнейших характеристик полевого транзистора как усилительного прибора.

Другой тип полевых транзисторов — транзисторы с приповерхностным каналом и структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзисторы). В частном случае, если диэлектриком является окисел (двуокись кремния), используется название МОП-транзисторы.

МДП-транзисторы бывают двух типов: транзисторы со встроенным и с индуцированным каналами (в последнем случае канал наводится под действием напряжения, приложенного к управляющим электродам).

Транзисторы первого типа могут работать как в режиме обеднения канала носителями заряда, так и в режиме обогащения. Второй тип МДП-транзисторов можно использовать только в режиме обогащения. В отличие от транзисторов с управляющим р—re-переходом металлический затвор МДП-транзисторов изолирован от полупроводника слоем диэлектрика и имеется дополнительный вывод от кристалла, называемый подложкой, на которой выполнен прибор.

Управляющее напряжение подается между затвором и подложкой. Под влиянием образующегося электрического поля у поверхности полупроводника создается р-канал за счет отталкивания электронов от поверхности вглубь полупроводника в транзисторе с индуцированным каналом. В транзисторе со встроенным каналом происходит расширение или сужение имеющегося канала. Под действием управляющего напряжения изменяется ширина канала и, соответственно, сопротивление и ток транзистора.

Напряжение на затворе, при котором индуцируется канал, называется пороговым напряжением. При практическом определении этого напряжения обычно задается определенный ток стока, при котором потенциал затвора достигает порогового напряжения (0.2...1 В для транзисторов с ге-каналом и 2...4 В ср-каналом).

По мере удаления от поверхности полупроводника концентрация индуцированных дырок уменьшается. На расстоянии, приблизительно равном половине толщины канала, электропроводность становится собственной (беспримесной). Далее располагается участок, обедненный основными носителями заряда, в котором существует область положительно заряженных ионов донорной примеси. Наличие обедненного участка обусловлено также отталкиванием основных носителей заряда от поверхности вглубь полупроводника.

Таким образом, сток, исток и канал, представляющие собой рабочие области МДП-транзистора, изолированы от подложки?—re-переходом. Очевидно, что ширина р—re-перехода и ширина канала изменяется при подаче на подложку дополнительного напряжения, т.е. током истока можно управлять не только путем изменения напряжения назатворе, но и за счет изменения напряжения на подложке. В этом случае управление МДП-транзистором аналогично полевому транзистору с управляющим?—re-переходом.

Толщина инверсного слоя значительно меньше толщины обедненного слоя. Если последний составляет сотни или тысячи нанометров, то толщина индуцированного канала составляет всего 1...5 нм. Другими словами, дырки индуцированного канала "прижаты" к поверхности полупроводника, поэтому структура и свойства границы полупроводник-диэлектрик играют в МДП-транзисторах очень важную роль.

Дырки, образующие канал, поступают в него не только из подложки re-типа, где их мало и генерируются они сравнительно медленно, но также из слоев р-типа истока и стока, где их концентрация практически не ограничена, а напряженность поля вблизи этих электродов достаточно велика.

В транзисторах со встроенным каналом ток в цепи стока будет протекать и при нулевом напряжении на затворе. Для его прекращения необходимо к затвору приложить положительное напряжение (при структуре с каналом р-типа), равное или большее напряжения отсечки. При этом дырки из инверсного слоя будут практически полностью вытеснены вглубь полупроводника и канал исчезнет. При приложении отрицательного напряжения канал расширяется и ток снова увеличивается. Таким образом, МДП-транзисторы со встроенными каналами работают в режимах как обеднения, так и обогащения.

Как и полевые транзисторы с управляющим?—п-переходом, МДП-транзисто-ры при малых напряжениях сток—исток ведут себя подобно линейному сопротивлению. При увеличении этого напряжения ширина канала уменьшается вследствие падения на нем напряжения и уменьшении напряженности электрического поля. Особенно сильно это проявляется в той части канала, которая находится вблизи стока. Перепады напряжения, создаваемые током стока Id, приводят к неравномерному распределению смещения на затворе вдоль канала, причем оно уменьшается по мере приближения к стоку.

Важным преимуществом МДП-транзисторов по сравнению с биполярными является малое падение напряжения на них при коммутации малых сигналов. Так, если в биполярных транзисторах в режиме насыщения напряжение коллектор-эмиттер принципиально не может быть меньше нескольких десятых долей вольт, то для МДП-транзисторов при малых токах стока это напряжение при работе транзистора в начальной области выходной ВАХ может быть сведено к ничтожно малой величине.

В библиотеке компонентов программы EWB МДП-транзисторы со встроенным каналом представлены двумя образцами: п-канальным ир-канальным, попарно по-казаными на рис. 4.63, а, на котором цифрой 4 обозначена подложка, остальные обозначения аналогичны обозначениям на рис. 4.60. Каждый тип МДП-транзистора представлен в двух вариантах: с отдельным выводом подложки и общим выводом подложки и истока. Аналогичный вид имеют обозначения МДП-транзисторов с индуцированным каналом (рис. 4.63, б).

Диалоговое окно установки параметров МДП-транзисторов показано на рис. 4.64. По сравнению с рис. 4.61 в нем содержатся дополнительные параметры, назначение которых заключаются в следующем (в квадратных скобках — обозначения параметров, приятые в EWB 5.0).

1. Поверхностный потенциал, В (Surface potential ph [PHI]).

2. Коэффициент влияния потенциала подложки на пороговое напряжение, 'В"2 (Bulk-threhold parametr g [GAMMA]).

3. Емкость между затвором и подложкой, Ф (Gate-bulk capacitance Cgb [CGB]).

4. Емкость донной части перехода сток-подложка при нулевом смещении, Ф (Zero-bias bulk-drain junction capacitance Cbd [CBD]).

5. Емкость донной части перехода исток-подложка при нулевом смещении, Ф (Zero-bias bulk-source junction capacitance Cbs [CBS]).

6. Напряжение инверсии приповерхностного слоя подложки, В (Bulk-junction potential рВ [РВ]).

В программе EWB 5.0 количество параметров моделей МДП-транзисторов увеличено. Они размещаются в трех диалоговых окнах-закладках, аналогичных по внешнему виду показанному на рис. 4.57. К дополнительно введенным относятся следующие параметры:

LD — длина области боковой диффузии, м;

RSH — удельное сопротивление диффузионных областей истока и стока. Ом;

JS — плотность тока насыщения перехода сток (исток)-подложка, А/м2;

CJ — удельная емкость донной части р—га-перехода сток (исток)-подложка при нулевом смещении, Ф/м2;

CJSW — удельная емкость боковой поверхности перехода сток (исток)-подложка, Ф/м;

MJ — коэффициент плавности перехода подложка-сток (исток);

CGSO — удельная емкость перекрытия затвор-исток (за счет боковой диффузии), Ф/м;

CGDO — удельная емкость перекрытия затвор-сток на длину канала (за счет боковой диффузии), Ф/м;

CGBO — удельная емкость перекрытия затвор-подложка (вследствие выхода области затвора за пределы канала), Ф/м;

NSUB — уровень легирования подложки, 1/см3;

NSS — плотность медленных поверхностных состояний на границе кремний — под-затворный оксид,1/см2;

ТОХ — толщина оксида, м;

TPG — легирование затвора; +1 — примесью того же типа, как и для подложки, -1 — примесью противоположного типа, 0 — металлом;

UO — подвижность носителей тока в инверсном слое канала, CM'/B/C;

FC — коэффициент нелинейности барьерной емкости прямо смещенного перехода подложки;

Параметры KF, AF и TNOM уже неоднократно рассматривались ранее.

Эквивалентные схемы МДП-транзисторов в EWB соответствуют самой простой модели первого уровня программы PSpice [2].

Для арсенид-галлиевых полевых транзисторов (встроенная модель имеется только в EWB 5.0) набор параметров по составу примерно такой же, как и для полевых транзисторов с управляющим р—п-переходом. Для них используется модель Стейтса (Statz), для которой в руководстве пользователя приводится только выражения для тока стока [67]:

где Ug. — напряжение затвор-исток; VTO=-2 В — барьерный потенциал перехода Шотки; BETA=0,OOQ1 А/В2 — коэффициент пропорциональности; LAMBDA=0 — параметр модуляции длины канала; Ua. — напряжение сток-исток; ALPHA=2 B1 — константа (численные значения приняты по умолчанию).

Для исследования характеристик МДП-транзисторов используется схема на рис. 4.65. С ее помощью можно получитьсемейство выходных характеристик МДП-транзисторов при фиксированных значениях напряжения на затворе Ug и подложке Ub. Располагая такими характеристиками, можно определить крутизну транзистора S при управлении со стороны затвора, а также крутизну при управлении со стороны подложки Sb=dId/dUb; статический коэффициент усиления M=dU,i/dUg; выходное дифференциальное сопротивление R^dUa/dI^ и другие параметры.

Контрольные вопросы и задания

1. С помощью схемы на рис. 4.62 снимите семейство выходных характеристик полевого транзистора при Ug=-l, -0,5, 0, +1, +2, +5 В. По этим характеристикам определите напряжение отсечки и крутизну выходной характеристики в начальной области и в области насыщения.

2. С помощью схемы на рис. 4.65 снимите семейство выходных характеристик МДП-транзистора со встроенным каналом при Ug и Ub=-5, -2, -1, 0, +1, +2, +5 В и по ним определите S, 8ь, М, R,,.

3. Выполните исследования по п. 2 для МДП-транзистора с индуцированным каналом. Дополнительно определите пороговое напряжение.

4. Чем отличаются униполярные, полевые и канальные транзисторы?

5. Как устроен полевой транзистор ср—га-переходом?

6. Чем отличаются МДП- и МОП-транзисторы?

7. Назовите отличительные признаки МДП-транзисторов с индуцированным и встроенным каналом.

8. Какую роль играет подложка в МДП-транзисторах?

9. Что такое пороговое напряжение и напряжение отсечки?