gurtov_v_a_tverdotelnaya_elektronika
.pdf6.15. Полевой транзистор с затвором в виде р-n-перехода
6.15.Полевой транзистор с затвором в виде р-n-перехода
Рассмотрим характеристики полевого транзистора, затвор у которого выполнен в виде р-n-перехода. На рис. 6.33 показана одна из возможных топологий такого транзистора. Омические контакты к левой и правой граням полупроводниковой подложки будут являться истоком и стоком, область квазинейтрального объема, заключенная между обедненными областями p-n-переходов, — каналом, а сильнолегированные n+-области сверху и снизу — затвором полевого транзистора. Конструктивно ПТ с затвором в виде p-n-перехода может быть выполнен с использованием планарной технологии и в различных других вариантах.
При приложении напряжения VGS к затвору ПТ, обеспечивающего обратное смещение p-n-перехода (VGS > 0), происходит расширение обедненной области p-n-перехода в полупроводниковую подложку, поскольку затвор легирован существенно сильнее, чем подложка (ND >> NA). При этом уменьшается поперечное сечение канала, а следовательно, увеличивается его сопротивление. Приложенное напряжение исток-сток VDS вызовет ток в цепи канала полевого транзистора. Знак напряжения VDS необходимо выбирать таким образом, чтобы оно также вызывало обратное смещение затворного p-n-перехода, то есть было бы противоположно по знаку напряжению VGS. Таким образом, полевой транзистор с затвором в виде p-n-перехода представляет собой сопротивление, величина которого регулируется внешним напряжением.
|
|
x |
|
L |
Затвор |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Сток |
|
|
W |
|
|
|
|
Исток |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n+ |
|
y |
|
|
|
|
|
|
H |
|
p-канал |
|
|
IDS |
|
|
|
n+ |
|
|
|
z |
VDS |
|
|
Затвор |
|
|
VG |
|
|
|
Рис. 6.33. Схематическое изображение полевого транзистора с затвором |
|||||
|
в виде p-n-перехода |
|
|
|
Получим вольт-амперную характеристику транзистора. Здесь, как и ранее, ось у направим вдоль канала, ось х — по ширине канала, ось z — по глубине канала. Обозначим длину, ширину и высоту канала при отсутствии напряжения на транзисторе
как L, W, Н (VGS = VDS = 0).
При приложении напряжения к затвору VGS > 0 и стоку VDS < 0 произойдет расширение обедненной области p-n-перехода на величину lоб, равную:
lоб |
= lоб (VG,VDS ) − lоб (VG |
=VDS |
= 0) ≈ |
2εsε0 [VGS −VDS(y)]. |
(6.104) |
|
|
|
|
qND |
|
Gurtov.indd 235 |
17.11.2005 12:28:47 |
Глава 6. Полевые транзисторы
Поскольку напряжение исток-сток VDS распределено вдоль канала VDS(у), то изменение ширины канала транзистора будет различно по длине канала. При этом высота канала h (y) будет равна:
h(y) = H − 2 lоб |
= H − 2 |
2εsε0[VGS −VDS(y)] |
. |
(6.105) |
|
||||
|
|
qND |
|
Введем напряжение смыкания VG0 — напряжение на затворе, когда в квазиравновесных условиях (VDS = 0) обедненные области p-n-переходов смыкаются: h (y) = 0.
Тогда из (6.105) следует, что
VG0 |
= |
qND |
|
H 2 |
. |
(6.106) |
||
|
4 |
|||||||
|
|
2ε |
ε |
0 |
|
|
||
|
|
s |
|
|
|
|
|
Соотношение (6.105) с учетом (6.106) можно переписать в виде:
|
|
VG −VDS(y) |
|
|
|
h(y) = H 1 |
− |
. |
(6.107) |
||
|
|||||
|
|
VG0 |
|
|
|
|
|
|
|
Выделим на длине канала участок от у до у + dy, сопротивление которого будет dR(y). При токе канала IDS на элементе dy будет падение напряжения dVDS(y), равное:
dVDS(y) = IDS(dR(y)). |
(6.108) |
Величина сопротивления dR (y) будет равна:
dR(y) = |
ρ dy |
= ρ dy |
|
− |
VG −VDS(y) |
−1 |
|
|
1 |
. |
(6.109) |
||||||
|
|
|||||||
W h(y) |
WH |
|
|
VG0 |
|
|
||
|
|
|
|
Подставим (6.108) в (6.109) и проведем интегрирование по длине канала:
L |
WH VDS |
|
VG −VDS |
(y) |
|
||
∫IDSdy = |
|
∫ 1 |
− |
|
|
dVDS . |
(6.110) |
ρ |
V |
|
|||||
0 |
|
|
|
G0 |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
Поскольку удельное объемное сопротивление ρ равно ρ = (qμpp0)–1, преобразуем величину WH/ρ:
|
WH |
=Wqμpρ0 H = qWμpQp (y = 0) . |
(6.111) |
|
|||
|
ρ |
|
Здесь Qp(y = 0) = q ρ0H — заряд свободных дырок в канале на единицу площади. Подставив (6.111) в (6.110) и проведя интегрирование, получаем следующую зависимость тока стока IDS от напряжения на затворе VG и стоке VDS для полевого
транзистора с затвором в виде p-n-перехода:
|
|
W |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
3 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
2 VG2 −(VG −VDS )2 |
|
|||||||||||
IDS |
= |
|
|
μpQp (y = 0) |
VDS |
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
(6.112) |
|
L |
3 |
3 |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
2 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
G0 |
|
|
|
|
При малых значениях напряжения исток-сток в области плавного канала VDS << VG ток IDS равен:
IDS |
= |
W |
μpQp (y = 0)VDS . |
(6.113) |
|
||||
|
|
L |
|
Gurtov.indd 236 |
17.11.2005 12:28:47 |
6.15. Полевой транзистор с затвором в виде р-n-перехода
Если сравнить соотношение (6.113) с выражением (6.10) для тока стока МДП-по- левого транзистора в области плавного канала, то видно, что эти выражения совпадают при малых значениях напряжения VDS.
Из (6.107) следует, что при напряжениях VG < VG0 всегда можно найти такое напряжение на стоке VDS, когда вблизи стока произойдет смыкание канала:
h (y = L, VG, VDS) = 0.
Аналогично процессам в МДП ПТ это явление называется отсечкой. Из (6.95) следует, что напряжение отсечки VDS* будет равно:
VDS* =VG −VG0 . |
(6.114) |
Также заметим, что выражение (6.114) аналогично соотношению (6.11) для напряжения отсечки МОП ПТ, а напряжение смыкания VG0 имеет аналогом величину порогового напряжения VТ.
По мере роста напряжения исток-сток VDS точка отсечки перемещается от истока к стоку. При этом аналогично МДП ПТ наблюдаются независимость тока стока от напряжения на стоке и эффект модуляции длины канала. Подставляя (6.114) в (6.112), получаем зависимость тока стока IDS в области отсечки для полевого транзистора с затвором в виде p-n-перехода:
|
|
W |
|
|
|
2 |
|
VG |
|
|
1 |
|
|
IDS |
= |
μpQp (y = 0) VG 1 |
− |
|
|
− |
VG0 . |
(6.115) |
|||||
L |
|
V |
|
||||||||||
|
|
|
|
3 |
|
3 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
G0 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В области отсечки выражение (6.115) хорошо аппроксимируется квадратичной зависимостью вида:
IDS |
= |
W |
μpQp |
(y = 0) |
(VG −VG0 )2 |
. |
(6.116) |
|
|
||||||
|
|
L |
|
3VG0 |
|
На рис. 6.34 показаны вольт-амперные характеристики в ПТ с затвором в виде p-n-перехода. Их отличительной особенностью является то, что при напряжении на затворе VG = 0 канал транзистора открыт и величина тока через него максимальна.
|
|
IDS, мА |
VG = 0 |
|
|
|
IDS, мА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
25 |
|
|
–0,5 В |
|
|
25 |
0 –0,5 |
–1,0 |
||
|
|
|
|
|
|
|||||
20 |
|
|
|
|
|
20 |
|
|
–1,5 |
|
|
|
|
–1,0 В |
|
|
|
|
|
||
15 |
|
|
|
|
15 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
10 |
|
|
–1,5 В |
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
–2,0 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
5 |
|
|
–2,0 В |
|
|
5 |
VG |
= –2,5 В |
||
|
|
–2,5 В |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
5 |
|
VDS, В |
|
0,2 |
|
0,4 VDS, В |
|||
|
|
|
а |
|
|
|
б |
|
|
|
Рис. 6.34. Характеристики транзистора КП302Б [78, 79]:
а) выходные характеристики; б) начальные участки выходных характеристик
Gurtov.indd 237 |
17.11.2005 12:28:48 |