Основы физики конденсированных сред (стр. 15 )

-          контакт не должен быть инжектирующим, поскольку при инжекции с контакта увеличивается ток;

-          вольт-амперная характеристика должна быть линейной.

Параметры омических контактов

1.      Скорость рекомбинации на контакте

Фр – плотность потока носителей заряда через контакт;

(pгр – p0) – избыточная концентрация носителей заряда у контакта;

p – концентрация носителей вблизи границы контакта;

Vp – скорость вблизи границы контакта.

При большой Фр скорость Sp будет определяться скоростью движения носителей через контакт. Максимальная скорость движения не может превышать тепловую.

1 – идеальный контакт с бесконечно большой скоростью рекомбинации;

2 – реальный, со скоростью Sp равной максимально возможной скорости движения носителей заряда;

3 – реальный контакт, со скоростью Sp меньшей максимальной скорости движения носителей.

2.      Сопротивление омического контакта

Статическое: ; j – плотность тока.

Динамическое (дифференциальное):

3.      Параметры нелинейности

-          Коэффициент выпрямления

U’ = U”

 

 

Чем ближе k к 1, тем лучше качество контакта

-          Коэффициент нелинейности

чем ближе β к 1, тем лучше омический контакт.

 

§ 3 Полевой транзистор с управляющим p-n переходом

 

Появились в 1952 году, их теория разработана Шокли. Эти приборы распространены значительно меньше, чем биполярные и МОП-транзисторы, что объясняется труд­ностью согласования схем на их основе (затвор и сток прибора управляются противоположными по полярности напряжениями) и более сложной (по сравнению с МОП-транзистором) технологией изготовления.

В то же время необходимо отметить, что полевые транзисторы с р-n переходом обладают рядом бесспор­ных достоинств, что обеспечивает им место в микроэлек­тронике завтрашнего дня. Дискретные полевые транзи­сторы с управляющим р-n переходом используются в различных устройствах автоматики и вычислительной техники. Высокое входное сопротивление позволяет при­менять их во входных каскадах линейных усилительных схем. Приборы характеризуются достаточно высокой стабильностью и радиационной стойкостью. Поскольку канал транзистора с р-n-переходом расположен в объе­ме полупроводника, а не у поверхности, как в МОП-транзисторе, то подвижность носителей, а следовательно, уровень токов и быстродействие у полевых транзисто­ров выше. Достоинством этих приборов также является совместимость технологии их изготовления с техноло­гией биполярных ИС. Это позволяет получить линейные ИС, в которых первый каскад содержит полевой тран­зистор (с высоким входным сопротивлением), а после­дующие каскады состоят из биполярных транзисторов (что обеспечивает высокий коэффициент усиления).

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом представляет собой пластину полупроводника n- или p- типа у которой с торца имеются омические контакты, а на обеих больших гранях – слои p- типа (для n- канального) и n - типа (для p- канального).

 

 

 

 

 

 

Оба слоя соединены между собой и образуют единый электрод, который называется затвором. Двумя другими электродами являются омические контакты. Тот контакт, от которого движутся основные носители заряда, называется истоком, а тот, к которому движутся – стоком. Оба образующихся p-n перехода работают в обратном направлении. Для этого на затвор подается отрицательное смещение относительно истока для n- канального полевого транзистора и положительное для p- канального.

Принцип действия транзистора заключается в том, что при изменении потенциала затвора меняется ширина р-п переходов, а значит, и рабочее сечение пластинки. В результате меняются ее сопротивление и соответственно ток в рабочей цепи. Поскольку р-п переходы работают в обратном включении, их сопротивление для входного сигнала велико и входная мощность мала. Полезная мощ­ность, определяемая величиной питающего напряжения и соотноше­нием сопротивлений пластинки и нагрузки, может значительно пре­вышать входную мощность. Таким образом, полевой транзистор с управляющим р-п переходом является усилитель­ным прибором типа управляемого ак­тивного сопротивления. При достаточ­ном смещении затвора расширившиеся переходы могут пере­крыть все сечение пластинки; это вызовет отсечку тока в рабо­чей цепи.

 

§ 3 «Модель полевого транзистора с управляющим p-n переходом»

 

Назовем каналом рабочий (переменный) объем пластинки, располо­женный между р-п переходами. Пренебрегая пока «холостыми» участками пластинки, прилегающими к истоку и стоку, можно пред­ставить структуру полевого транзистора с управляющим p-n переходом в упрощенном виде.

Обозначим максимальную толщину канала через а, его ширину через Z и длину через L. Пусть Uc = 0, тогда канал будет эквипотенциальным слоем и напряжение на р-п переходах будет одинаковым U3 на протяжении всего канала. Соответственно в любой точке толщина p-n перехода равна l, а толщина канала:

w=a-2l

Подставляя сюда выражение для толщины p-n перехода l

и полагая qNД = 1/ρ·μn, получаем:

Из условия w = 0 легко найти напряжение отсечки:

В рабочем режиме, когда Uc ≠ 0, ка­нал не является эквипотен­циальным слоем; в разных точках х потенциал различен: он меняется от Ux = О около истока до Ux = + Uс около стока. Поэтому обратное напряжение на р-п перехо­дах, равное Uз + Ux, увеличивается в на­правлении от истока к стоку. Соответственно ширина перехода в этом направлении растет, а канал сужается. (а – сечение канала при ненасыщенном режи­ме)

 

В наиболее узком месте (около стока) напряжение на переходе равно U3 + Uс. С ро­стом Uс это напряжение в конце концов де­лается равным Uзо и переходы почти смы­каются (б – на гра­нице насыщения).

В отличие от случая Uз = Uзо это, разумеется, не приводит к отсеч­ке тока, так как само «смыкание» является следствием увеличения тока. Вместо отсечки тока происходит отсечка его прира­щений, т. е. резкое возрастание дифференциального сопротивления канала. При этом на кривой Iс (Uс), начиная с не­которой точки Н, получается практически горизонтальный участок.

 

Такой режим можно назвать насыщением, а напряжение Uс, при котором он наступает, — напряжением насыщения. Эта ве­личина получается из условия U3 + Uc = U30 и равна:

Uс.н = Uз0 – Uз

Поэтому напряжение Uс.н уменьшает­ся с ростом U3.

 

 

Семейство выходных характеристик полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

 

В режиме насыщения, когда Uс > Uс.н, потенциал «горловины» канала сохраняет значение Uс, (в противном случае канал должен был бы еще больше сужаться, что невозможно), но «горло­вина» сдвигается относительно стока (в - при насыщенном режиме). Разность потенциалов Uс -Uс.н, падает на участке между стоком и «горловиной», а протяженность этого участка определяется формулой

,

если положить U = Uс – Uс.н. Таким образом, в режиме насыщения происходит моду­ляция длины канала по аналогии с эффектом Эрли в биполярных транзисторах.

§ 4 «Модель Эквивалентная схема ПТ с управляющим p-n переходом»

 

 

Канал транзистора и переход затвора нужно было бы представить в виде линий RC с распределенными параметрами, но это, как всегда, затрудняет последующее использование схемы для расчетов. Поэтому на рисунке и канал, и затвор представлены сосредоточенными параметрами. Канал представлен дифференциаль­ным сопротивлением rс и межэлектродной емкостью Сси, величина которой определяется геометрией и материалом прибора. Затвор представлен сопротивлением r3 и усредненной емкостью . Сопротив­лением r3 часто пренебрегают в связи с его большой величиной; поэтому на рисунке оно показано пунктиром. Емкость затвора заряжается через усредненное сопротивление , которое обусловливает конечную постоянную времени τ3. Усилительные свойства транзистора отра­жены генератором тока SU3.