Вопрос 7 – Вольт-фарадная характеристика МДП-структуры.

График зависимости емкости МДП-структуры от напряжения на затворе, так называемая вольт-фарадная характеристика МДП-структуры, приведен на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Вольт-фарадные характеристики идеальной

МДП-структуры: а – в области низких частот; б – в области высоких частот; в – в режиме глубокого обеднения

Если V < 0 и полупроводниковая подложка имеет p-тип проводимости, то около поверхности полупроводника накапливаются дырки (режим аккумуляции, обогащения). В этом режиме дифференциальная емкость полупроводника существенно больше емкости диэлектрика, поэтому полная емкость структуры близка к величине емкости диэлектрика:

. (3.34)

Когда напряжение на затворе меняется в направлении напряжения плоских зон, поверхностное обогащение исчезает и вследствие роста длины Дебая у поверхности емкость начинает уменьшаться.

При переходе МДП-структуры в режим обеднения (V > 0) дырки удаляются от поверхности, образуется ОПЗ и начинает сказываться влияние приповерхностной емкости C_s, значение которой зависит от напряжения на затворе. Обедненная область действует как добавочный слой диэлектрика. В этом режиме полная емкость МДП-структуры состоит из последовательно соединенных емкостей диэлектрика и приповерхностной обедненной области полупроводника

(3.35)

где W – ширина приповерхностного обедненного слоя, которая зависит как от напряжения на затворе, так и концентрации примеси.

При превышении V значения порогового напряжения в МДП-структуре происходит инверсия проводимости приповерхностного слоя: поверхностная концентрация электронов в инверсионном слое растет экспоненциально с напряжением, а поверхностный потенциал увеличивается пропорционально квадрату толщины обедненной области. После того как значение W достигнет максимальной величины, дальнейшее приращение положительного заряда на затворе будет компенсироваться возрастанием концентрации электронов в канале Появление избыточных электронов обеспечивается достаточно медленной генерацией электронно-дырочных пар в ОПЗ. Поэтому, если к постоянному напряжению на затворе V добавляется малое переменное напряжение dV с высокой частотой, то концентрация носителей в инверсном слое (электронов) не успевает изменяться с частотой переменного напряжения и емкость МДП-структуры остается постоянной (рис. 3.9, кривая б).

Если же частота изменений V низкая, то изменение концентрации носителей в инверсном слое (электронов) успевает следовать за изменением напряжения. Дифференциальная емкость инверсного слоя значительно превышает емкость диэлектрика, поэтому полная емкость МДП-структуры в режиме инверсии резко возрастает, снова приближаясь к емкости диэлектрика (рис. 3.9, кривая а).

Если теперь к затвору «скачком» прикладывается положительное напряжение превышающее пороговое, то дырки удаляются от поверхности полупроводника и образуется ОПЗ. Однако инверсии проводимости не происходит, так как инерционный процесс генерации электронов не успевает за изменением напряжения. Вследствие того, что инверсионный слой отсутствует, положительный заряд на металлическом затворе может быть скомпенсирован только ионами акцепторов в ОПЗ. Поэтому толщина ОПЗ увеличивается. Удельная емкость структуры в этом режиме по аналогии с (3 35) равна:

(3.36)

Фактически в выражении (3.36) отражено сохранение режима обеднения и при напряжениях на затворе, больших порогового. Толщина обедненной области под увеличивается на DW, а значение емкости С_s и общей емкости МДП-структуры уменьшается (рис. 3.9, кривая в), при этом зависимость емкости затвора от напряжения на затворе аналогична зависимости барьерной емкости обратно-смещенного р-п-перехода от обратного напряжения.

Вопрос 8 – Полевой транзистор с управляющим р-п переходом, принцип действия, основные характеристики

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом – полупроводниковый прибор, в котором ток основных носителей заряда управляется поперечным электрическим полем обратно смещенного p-n-перехода (или переходов).

Простейший полевой транзистор с управляющим p-n-переходом состоит из полупроводниковой пластины, имеющей электропроводность определенного типа, от концов которой сделаны два вывода – электроды стока (С) и истока (И), с одним (рис. 7.1, а) или двумя p-n-переходами (рис 7.1, б) от которых сделан третий вывод – затвор (З).

Электрод, от которого начинают движение основные носители заряда в канале, называют истоком, а электрод, к которому движутся основные носители заряда, называют стоком.

При включении между истоком и стоком транзистора источника напряжения Е₁ (или Е_СИ) по каналу от истока к стоку потечет ток основных носителей (в данном случае – электронов), величина которых определяется приложенным напряжением и сопротивлением канала. Если на затвор транзистора подать напряжение Е₂ (или Е_ЗИ) так, чтобы p-n-переход (или переходы) оказались смещенными в обратном направлении, то переход (переходы) расширяясь, уменьшают ширину канала W. Уменьшение поперечного сечения канала приводит к увеличению его сопротивления и поэтому к уменьшению протекающего по каналу тока.

Рис. 7.1. Упрощенная структура полевого транзистора с одним управляющим p-n-переходом (а); с двумя управляющими p-n-переходами (б);

типовая структура (в) и условные обозначения транзистора, имеющего канал n-типа (г) и p-типа (д)

При приложении напряжения U_ЗИ или V_GS к затвору ПТ, обеспечивающего обратное смещение р‑n-перехода (U_ЗИ < 0), происходит расширение обедненной области р-n-перехода в полупроводниковую подложку, поскольку затвор легирован существенно сильнее, чем подложка (N_D >> N_A). При этом уменьшается поперечное сечение канала и, следовательно, увеличивается его сопротивление. Приложенное напряжение исток‑сток U_СИ или V_DS вызовет ток в цепи канала полевого транзистора. Знак напряжения U_СИ необходимо выбирать таким образом, чтобы оно также вызывало обратное смещение затворного р-n-перехода, то есть было бы противоположно по знаку напряжению U_ЗИ. Таким образом, полевой транзистор с затвором в виде р-n-перехода представляет собой сопротивление, величина которого регулируется внешним напряжением.

При возрастании обратного смещения на затворе обедненный слой (слои) p-n-перехода все больше расширяются, ток стока I_С постепенно уменьшается и при достаточно высоком напряжении U_ЗИ происходит смыкание области объемного заряда с краем кристалла (для полевого транзистора с одним p-n-переходом) или смыкание областей объемного заряда (для полевого транзистора с двумя p-n-переходами). Напряжение, при котором канал полностью перекрывается и ток через него практически прекращается, называют напряжением отсечки U_отс.

Зависимость тока стока I_С от напряжения стока U_СИ при постоянном напряжении на затворе (U_ЗИ = const) определяется стоковой характеристикой (рис. 7.2).

Напряжение, при котором наступает режим насыщения, называется напряжением насыщения.

Рис. 7.2. Выходные характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Оно, как видно из рис. 7.2, меняется при изменении напряжения на затворе. Область, в которой ток I_С существенно зависит от напряжения на стоке U_СИ (слева от пунктирной линии АБВ, рис. 7.2), называется омической областью; правая область, в которой ток I_С остается практически неизмененным – областью насыщения.

Характеристики передачи полевого транзистора представляют собой зависимости тока стока от напряжения на затворе при различных постоянных напряжениях на стоке (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Статическая характеристика передачи полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Одним из основных параметров полевого транзистора с управляющим p-n-переходом является крутизна передаточной характеристики, определяющая эффективность изменения тока в цепи стока при изменении напряжения на затворе.

(7.1)

Численно крутизна зависит от напряжения на затворе

напряжение отсечкиU_отс; ток насыщения стока I_{С нас о} при U_ЗИ = 0; емкости С_СИ и С_ЗИ; сопротивление транзисторав омической области R_о, определяемое наклоном стоковой характеристики; внутренне сопротивление

, (7.2)