Гнучев Н.М. Полевые транзисторы (1). Полевые транзисторы полевые транзисторы
 Скачать 461.62 Kb.
|
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Полевые транзисторы это усилительные и переключательные полупроводниковые приборы, ток в которых управляется электрическим полем и обусловлен дрейфовым движением основных носителей. В зависимости от способа управления различают полевые транзисторы с управляющим p n-переходом и с управляющим переходом металл- полупроводник (барьером Шоттки), а также полевые транзисторы с изолированным затвором. Полевые транзисторы имеют как минимум три вывода во внешнюю цепь: исток, затвор и сток. В некоторых вариантах имеется и четвертый вывод – подложка. Кроме того, в каждом транзисторе имеется проводящий канал. Смысл этих терминов следующий: Канал – область полупроводникового кристалла p- или n-типа, через которую проходит ток основных носителей. Исток – полупроводниковая область, из которой основные носители вводятся в канал. Сток полупроводниковая область, через которую основные носители выводятся из канала. Затвор – электрод, на который подается напряжение, управляющее величиной тока, проходящего через канал, или, иначе говоря, управляющее электрическим сопротивлением канала. Материалом затвора может служить как полупроводник, так и металл. Подложка – кристалл полупроводника p- или n-типа, на котором сформирован полевой транзистор. ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С УПРАВЛЯЮЩИМ ПЕРЕХОДОМ В транзисторах такого типа ток основных носителей через канал управляется p n-переходом или выпрямляющим переходом металл- полупроводник, смещенным в обратном направлении. Изменение напряжения на затворе сдвигает границу области обеднения управляющего перехода, что вызывает изменение поперечного сечения проводящего канала и, следовательно, его сопротивления. Это означает, что полевой транзистор с управляющим переходом можно рассматривать как переменный резистор, управляемый напряжением. Один из вариантов устройства полевого транзистора с управляющим p n-переходом и каналом n-типа показан на рис. 1. Рис. 1. Упрощенное устройство планарного полевого транзистора с управляющим p n-переходом и каналом n-типа. Показано подключение к источникам питания в схеме с общим истоком. l – длина проводящего канала n-типа, d – его ширина. На кристалле-подложке кремния p-типа выращивается слой n- кремния, в котором формируются две n + -области для контактов с истоком и стоком, а также p + -область затвора. Готовая структура покрывается защитным слоем диоксида кремния, в котором предусматриваются «окна» для выводов во внешнюю цепь. В реальных конструкциях транзистора p + , n + -области и граница управляющего перехода не имеют острых углов. Полярности напряжений затвор-исток ( U зи ) и сток-исток(U си ) определяются типом проводимости канала. Напряжение U зи смещает управляющий переход между затвором и каналом в обратном направлении; напряжение U си обеспечивает дрейф основных носителей канала от истока к стоку. Очевидно, что в случае канала n-типа (рис. 1) исток затвор сток n + n + p + n-Si p-Si d l U си U зи SiO 2 подложка потенциал затвора относительно истока должен быть отрицательным, а потенциал стока – положительным. Для транзистора с каналом p-типа полярности напряжений будут противоположными. P + n-переход между затвором и каналом – односторонний, поэтому его ширина, как известно, определяется главным образом размерами области обеднения в n-полупроводнике, где сосредоточены некомпенсированные положительные заряды ионов доноров. Ширина канала d – расстояние по вертикали от границы области обеднения до нижней кромки канала, т. е. до границы с p-подложкой. Графические символы полевых транзисторов с управляющим переходом показаны на рис. 2. В случае если транзисторы являются элементами интегральных схем (бескорпусный вариант), то, как и для любых других типов транзисторов (полевые, биполярные), кружок на изображении отсутствует. Транзисторы такого типа имеют три внешних вывода, так как подложка обычно соединяется с истоком (см. рис.1). Рис. 2. Схемные изображения полевых транзисторов с управляющим переходом; а – с каналом n-типа, б – с каналом p-типа. И – вывод истока, З – вывод затвора, С – вывод стока В дальнейшем, если это особо не оговорено, речь пойдет о полевом транзисторе с каналом n-типа. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ С УПРАВЛЯЮЩИМ ПЕРЕХОДОМ И СТАТИЧЕСКИЕ ВОЛЬТАМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Принцип действия таких транзисторов и вид их вольтамперных характеристик становятся понятными, если последовательно рассмотреть два случая. 1. Поддерживая постоянным малое напряжение между стоком и истоком U си , достаточное для поддержания дрейфа основных носителей И И З З С С а) б) через канал, будем увеличивать напряжение на затворе U зи . Так как подложка соединена с истоком, то напряжение U зи оказывается приложенным между затвором и каналом, и его увеличение будет смещать управляющий переход в обратном направлении. Рис. 3. Изменение положения верхней границы канала при расширении управляющего перехода. 1 – U зи = 0. 2, 3 – положения границы, соответствующие возрастающим значениям напряжения на затворе. Граница 4 соответствует напряжению отсечки зи U = U отс При U зи = 0 ширина канала – наибольшая. Увеличение обратного смещения управляющего p + n-перехода вызывает смещение вниз границы области обеднения, и поперечное сечение канала уменьшается (линии 2 и 3 на рис. 3). Ток стока при этом также уменьшается, так как при постоянном напряжении U си растет сопротивление канала. Дальнейшее увеличение напряжения на затворе приводит к полному перекрытию канала (линия 4 на рис. 3). Абсолютная величина напряжения на затворе, при котором ток стока становится равным нулю, называется напряжением отсечки U отс полевого транзистора с управляющим переходом. Напряжение между истоком и стоком U си в этом случае выбирается небольшим для того, чтобы неодинаковость потенциалов различных точек канала при протекании тока не искажала простую картину влияния напряжения на затворе на величину тока. Это исток затвор сток n + n + p + n-Si p-Si U си U зи 1 2 3 4 позволило считать, что область обеднения управляющего перехода смещается вниз параллельно нижней границе канала. Рис. 4. Передаточные характеристики полевого транзистора с управляющим переходом: а) с каналом n-типа, б) с каналом p-типа I c ⁄I c макс а) б) 1 Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при постоянном значении U си называется передаточной характеристикой полевого транзистора. Эта характеристика для полевого транзистора с управляющим переходом показана на рис. 4. В соответствии с рассмотренным выше физическим механизмом управления ток стока наибольший при U зи = 0, и монотонно уменьшается вплоть до нуля при увеличении модуля управляющего напряжения на затворе до значения зи U = U отс 2. Поддерживая постоянным напряжение между затвором и истоком U зи , будем увеличивать величину напряжения сток-исток. При протекании тока через канал его потенциал повышается по мере приближения к стоку. Это влечет за собой увеличение обратного смещения управляющего перехода и, соответственно, уменьшение поперечного сечения канала в направлении стока. Величина напряжения, смещающего управляющий переход в обратном направлении, у истока равна |U зи |, а у стока |U зи | + U си . Это приводит к тому, что ширина канала будет набольшей у истока и наименьшей у стокового конца канала (рис. 5, линия 2). 0 U зи −U зи U отс (p) U отс (n) ΔU зи Рис. 5. Изменение ширины канала при увеличении напряжения сток- исток (U зи = const). Линии 1 4 показывают последовательность изменения положения верхней границы проводящего канала При дальнейшем увеличении напряжения U си разность потенциалов, смещающая управляющий переход в обратном направлении, у стокового конца станет равной напряжению отсечки полевого транзистора: |U зи | + U си = U отс . ( 1 ), и нижняя граница управляющего перехода коснется дна канала только в одной точке, у стокового конца (линия 3 на рис. 5). Соответствующее напряжение сток-исток называется напряжением насыщения: U си нас = U отс |U зи | (2) В отличие от случая, когда напряжение сток-исток поддерживается постоянным, совпадение границы управляющего перехода и дна канала не приводит к прекращению тока стока. Если бы это произошло, потенциалы различных точек канала стали бы одинаковыми, и исчезла бы причина, вызывающая увеличение обратного смещения перехода в направлении от истока к стоку. Если ток стока при напряжении насыщения U си нас уменьшится, то потенциал исток затвор сток n + n + p + n-Si p-Si U си U зи 1 2 4 3 Δl п канала в точке перекрытия станет менее положительным, перекрытие в точке исчезнет, и ток стока увеличится до прежнего значения. При дальнейшем увеличении U си канал «перекрывается» на длине Δl п тем большей, чем выше напряжение сток-исток. В результате автоматически поддерживается очень малое сечение проводящего канала, и величина тока стока ограничивается. Ограничение тока стока происходит по двум причинам. Во-первых, при увеличении напряжения сток-исток происходит удлинение «перекрытой» части канала, и, следовательно, увеличение ее сопротивления. Соответственно, из закона Ома для участка цепи следует, что ток стока либо останется постоянным (при пропорциональном изменении сопротивления канала R с напряжением), либо будет слабо возрастать. Например, если учесть, что ширина обратно смещенного резкого p n- перехода пропорциональна обр U [1], т. е. в нашем случае зи си U U , а также то, что изменение длины перекрытой части канала Δl п пропорционально изменению ширины управляющего перехода, можно записать: си си си c си п зи си U U U I U R l U U (3) Видно, что в этом случае ток стока будет слабо возрастать с напряжением U си . Этот фактор является определяющим для относительно длинных каналов ( 50 мкм). Во-вторых, при достижении относительно высокой напряженности электрического поля в канале (более 10 3 В/см) начинает уменьшаться подвижность основных носителей. Причина этого явления в том, что при таких полях дрейфовая скорость подвижных носителей достигает величин того же порядка, что и средняя тепловая скорость. При дальнейшем возрастании напряженности поля увеличивается число столкновений носителей с атомами кристаллической решетки, что приводит к замедлению нарастания дрейфовой скорости и, соответственно, к уменьшению их подвижности [1]. Это явление наблюдается в полевых транзисторах с управляющим переходом металл-полупроводник с длиной канала 1−10 мкм и служит причиной наличия пологого возрастающего участка на выходной вольт-амперной характеристике при U си > U си нас Форма статических выходных вольтамперных характеристик полевого транзистора с управляющим переходом (рис. 6) целиком определяется описанными выше процессами изменения конфигурации проводящего канала. Рис. 6. Выходные характеристики полевого транзистора с управляющим переходом. U зи 0 = 0 В; |U зи 1 |< |U зи 2 | <|U зи 3 | <|U зи 4 | На начальном участке 0-А (при малых напряжениях U си ) ток стока растет почти линейно, так как форма канала искажается очень слабо. На следующем участке А-Б нарастание тока стока замедляется из-за уменьшения сечения канала и роста его сопротивления. Точки на характеристиках, в которых происходит переход к пологим участкам кривых, соответствуют напряжениям сток-исток, равным напряжению насыщения, которое тем меньше, чем больше напряжение U зи (2). В частности, в точке Б на характеристике при нулевом напряжении на затворе U си нас = U отс . Геометрическое место точек выхода характеристик на пологий участок показано штриховой линией на рис. 6. Пологий участок Б-В является рабочей областью характеристик и обусловлен увеличением сопротивления канала за счет удлинения «перекрытой» части Δl п . При дальнейшем увеличении напряжения сток- исток возникает лавинный пробой управляющего перехода у стокового А Г U зи 0 Б В U зи 1 U зи 2 А U зи 3 U зи 4 0 U си нас 0 = U отс конца канала, и ток стока резко возрастает (участок В-Г, находящийся за областью предельно допустимых значений U си ). Принцип действия полевых транзисторов с управляющим p–n- переходом и переходом металл-полупроводник одинаковы. Как правило, транзисторы с управляющим барьером Шоттки изготавливаются на основе арсенида галлия. Известно, что подвижность носителей в GaAs почти на порядок больше, чем в кремнии, поэтому при одинаковых геометрических параметрах конструкции ток стока и, соответственно, крутизна передаточной характеристики транзистора с управляющим переходом металл-полупроводник значительно выше. СТАТИЧЕСКИЕ И МАЛОСИГНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ Статические параметры. К статическим параметрам относятся предельно-допустимые значения напряжений и токов, обеспечивающие безотказную работу транзисторов в электронных схемах, а также напряжение отсечки полевого транзистора U отс . Величина U отс зависит от концентрации примесей в материале канала и от его начальной ширины («просвета», т.е. расстояния между линями 1 и 4 на рис. 3). Известно [1], что при увеличении концентрации примеси либо в одной области, либо в обеих смежных областях p n-перехода его ширина уменьшается. Соответственно, чем больше концентрации примесей в материале канала, тем меньше будет проникать в него управляющий переход, и для перекрытия канала потребуется более высокое напряжение отсечки. Точно такая же зависимость напряжения отсечки наблюдается и от начальной ширины канала: с увеличением его поперечного сечения также растет U отс из-за необходимости прикладывать для перекрытия канала более высокое обратное напряжение на управляющий переход. Рабочей областью выходных характеристик является их пологий участок (Б-В на рис. 6); положение точки Б (напряжение насыщения) определяется величиной напряжения отсечки и напряжением затвор- исток. Из этого следует, что для увеличения протяженности пологого участка напряжение насыщения, и, следовательно, напряжение отсечки должны быть малыми величинами. Это достигается тем, что концентрация примесей в канале выбирается невысокой (10 16 см −3 ). Параметры малого сигнала. Любой транзистор как усилитель переменного сигнала не должен вносить нелинейные искажения, т. е. его передаточная характеристика должна быть линейной. Как видно из рис. 4, ее можно считать условно линейной, только если на вход транзистора подавать переменное напряжение ΔU зи очень малой амплитуды. Соответственно, усилительные свойства транзистора определяются параметрами малого сигнала. Для введения этих параметров транзистор представляют в виде линейного четырехполюсника; переменными величинами в уравнениях являются входные и выходные токи и напряжения малой амплитуды. Так как полевые транзисторы, в отличие от биполярных, – это приборы, управляемые напряжением, то для линейного четырехполюсника (рис. 7) из всех возможных систем уравнений выбираются те, которые описывают зависимости входного и выходного токов от входного и выходного напряжения: I с , U си I з , U зи Рис. 7. Полевой транзистор как линейный четырехполюсник Малые приращения (дифференциалы) входного и выходного токов линейного четырехполюсника в данном случае: з 11 зи 12 cи c 21 зи 22 cи ; dI Y dU Y dU dI Y dU Y dU Эти уравнения соответствуют системе Y-параметров. Строго говоря, все малые приращения в этих формулах являются комплексными величинами. Однако, при относительно невысоких частотах (≤ 10 7 Гц) их можно считать действительными величинами, и комплексные Y-параметры становятся также действительными. В этом случае система Y-параметров заменяется системой g-параметров: з 11 зи 12 cи c 21 зи 22 cи ; dI g dU g dU dI g dU g dU Тогда, при коротком замыкании по переменному току на выходе (dU си = 0): з 11 зи с 21 зи dI g dU dI g dU Отсюда имеем: з 11 зи dI g dU − входная дифференциальная проводимость; с 21 зи dI g dU S − крутизна характеристики прямой передачи (крутизна передаточной характеристики, рис. 4). Этот параметр имеет также формальное название: дифференциальная проводимость прямой передачи. При коротком замыкании по переменному току на входе(dU зи = 0): з 12 cи с 22 cи dI g dU dI g dU Соответственно: з 12 cи dI g dU − дифференциальная проводимость обратной передачи; с 22 cи д вых 1 dI g dU r − выходная дифференциальная проводимость; (r Д вых − выходное дифференциальное сопротивление). Входная дифференциальная проводимость g 11 – очень малая величина. Соответствующие значения входного сопротивления для транзисторов с управляющим переходом 10 9 –10 10 Ом. Это свойство полевых транзисторов очень важно при усилении малых токов, которые могут создать на высоком входном сопротивлении усилительного каскада заметное падение напряжения. Параметр g 12 , характеризующий внутреннюю обратную связь между выходной и входной цепями, не играет существенной роли при относительно невысоких частотах. Основными дифференциальными параметрами, применяемыми при расчете усилительных каскадов, являются крутизна S и выходная дифференциальная проводимость g 22 или ее обратная величина – выходное дифференциальное сопротивление r Д вых . Эту величину часто называют внутренним сопротивлением R i Крутизна передаточной характеристики – важный параметр, характеризующий усилительные свойства: чем больше S, тем большее приращение выходного тока ΔI c приходится на заданный малый интервал входного напряжения ΔU зи . При данном напряжении отсечки крутизна будет выше для тех транзисторов, у которых наблюдаются высокие значения тока стока при U зи = 0. Плотность тока пропорциональна подвижности носителей μ: J = enμ ε , поэтому крутизна будет тем больше, чем выше подвижность основных носителей в канале. С этой точки зрения предпочтительно использовать транзисторы с каналом n-типа, так как подвижность электронов значительно больше подвижности дырок. Обычные значения крутизны маломощных полевых транзисторов с управляющим переходом – единицы миллиампер на Вольт (мА/В). Для определения относительного влияния напряжений U зи и U си на ток стока вводится параметр μ ус – статический коэффициент усиления, соответствующий постоянному току стока: си ус зи μ dU dU , где dU си и dU зи – абсолютные значения изменений напряжений U си и U зи , при которых происходят одинаковые по величине, но разные по знаку изменения тока стока. Очевидно, что μ ус = SR i . Видно, что параметр R i также определяет усилительные свойства. Величина R i – порядка 10 – 100 кОм, значения коэффициента усиления μ ус – несколько десятков. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ (МДП-ТРАНЗИСТОРЫ) В таких полевых транзисторах затвор электрически изолирован от канала тонким слоем диэлектрика (см. рис. 8…..). Материалом для затвора служит либо металл (Al), либо поликристаллический кремний с очень высокой концентрацией примеси; сам транзистор, как правило, также изготовляют из кремния. Существуют два варианта конструкции транзистора. В полевом транзисторе с индуцированным каналом (рис. 8 , а) проводящий канал отсутствует; он создается за счет влияния электрического поля, создаваемого затвором (см. ниже). В транзисторе со встроенным каналом (рис. 8 ,б) канал существует изначально: либо за счет сформированной в процессе изготовления перемычки между областями истока и стока, либо за счет влияния поля заряда соответствующей полярности на изолирующем диэлектрике. а) б) Рис. 8. Варианты конструкции полевого транзистора с изолированным затвором: а) с индуцированным каналом, б) со встроенным каналом. Рис. 9 . Схемные изображения МДП-транзисторов: а) – с индуцированным n -каналом, б) – со встроенным p -каналом С С П П З З И И а) б) Индуцированный канал (рис. 8 , а) возникает за счет воздействия электрического поля затвора, направленного перпендикулярно границе между диэлектриком и полупроводником. Физический механизм образования такого канала определяется процессами, протекающими в очень тонких приповерхностных слоях полупроводника. Рассмотрим их более подробно. ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ОБЛАСТИ ПОЛУПРОВОДНИКА Поверхность кристалла, т. е. граница между кристаллом и окружающей средой, является самым большим его «дефектом». На этой границе происходит обрыв связей между атомами в перпендикулярном направлении, и вследствие этого электронная структура приповерхностного слоя отличается от таковой для объема. На энергетической диаграмме вблизи поверхности кристалла в запрещенной зоне появляются дискретные поверхностные энергетические уровни. Электроны, занимающие эти уровни, не могут проникать вглубь кристалла и локализуются вблизи поверхности. Поверхностные уровни могут служить донорами, акцепторами или ловушками. Заполнение акцепторных уровней означает локализацию электронов, освобождение донорных уровней локализацию дырок, и в результате поверхность заряжается отрицательно или положительно. В соответствии с условием электронейтральности это должно сопровождаться образованием вблизи поверхности полупроводника объемного заряда, нейтрализующего поверхностный заряд. Это происходит, прежде всего, за счет оттеснения вглубь кристалла зарядов того же знака (электронов, дырок). В результате приповерхностный слой полупроводника оказывается обедненным носителями заряда одного знака с поверхностным зарядом и обогащенным носителями заряда противоположного знака, и электрическое поле поверхностного заряда тем самым экранируется. Если в металлах, имеющих очень высокую концентрацию электронов ( 10 22 см 3 ), нейтрализация поверхностного заряда происходит уже на глубине, равной нескольким параметрам кристаллической решетки, то в полупроводниках область объемного заряда простирается на глубину 10 4 см и более. Обычно ее принимают равной дебаевской длине (радиусу) экранирования L D . Она определяется как расстояние, на протяжении которого напряженность электрического поля в веществе с подвижными носителями заряда уменьшается в е раз (е ≈ 2,72). Расчеты показывают, что для собственного полупроводника 1 2 0 2 2 D i kT L e n , (5.1) где ε относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, ε 0 электрическая постоянная вакуума, е заряд электрона. Для примесного полупроводника с концентрацией донорной или акцепторной примеси N: 1 2 0 2 D kT L e N . (5.2) Поскольку N >> n i , дебаевский радиус в примесных полупроводниках намного меньше, чем в собственных. Так, при T = 300 К в собственном полупроводнике (кремнии) L D ≈ 14 мкм, а в n-кремнии с концентрацией доноров 10 16 см 3 L D ≈ 0,04 мкм. Переделать рисунок Рис. 10. Изгиб зон полупроводника n -типа при наличии положительного ( а ) и отрицательного ( б ) поверхностного заряда Наличие на поверхности полупроводника электрического заряда обусловливает возникновение разности потенциалов между его поверхностью и объемом. Следствием этого является искривление энергетических зон. Отрицательный поверхностный заряд вызывает изгиб зон вверх (рис. 10, б), так как при перемещении электрона из объема к поверхности его энергия увеличивается. Соответственно, положительный заряд на поверхности вызывает изгиб энергетических зон вниз (рис. 10, а). ЭФФЕКТ ПОЛЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ Аналогичная картина обеднение или обогащение приповерхностного слоя полупроводника подвижными носителями заряда наблюдается и под воздействием электрического поля, направленного перпендикулярно поверхности. Это явление называется эффектом поля. Состояние приповерхностного слоя определяется ориентацией и величиной вектора электрической напряженности. Рассмотрим полупроводник p-типа, у которого отсутствует поверхностный заряд, т.е. на его энергетической диаграмме изначально нет изгиба зон у поверхности. Ясно (см. выше), что это предположение далеко от реальности. Тем не менее, примем его для того, чтобы явным образом наблюдалось влияние внешнего электрического поля. Вектор напряженности поля направлен перпендикулярно к поверхности, и поле проникает в полупроводник на глубину L D (см. формулу (5.2)). |