Розрахункова частина. 2.1. Розрахунок напруги відсікання і насичення

2.1. Розрахунок напруги відсікання і насичення

Напругу відсікання визначають з умови d_н(U_відс) =d₀ [2].

(3)

де - рівноважна висота потенційного бар’єра контакту;

ε- відносна діелектрична проникність напівпровідника;

N_d- концентрація донорів в каналі;

d₀ -товщина епітаксійного шару.

Необхідне значення напруги відсікання (U_відс) забезпечується підбором концентрації донорів в каналі (N_d) і товщиною епітаксійного шару.

За малої товщини епітаксійного шару n-типу провідності напруга відсікання може бути додатною.

Товщина збідненого шару d_н(y) в точці y =L є найбільшою і дорівнює d₀:

(4)

де — напруга на стоці, за якої струм стоку досягає насичення.

З виразу (4) знайдемо при U_з=0:

(5)

Якщо на затвор подати напругу, то товщина збідненого шару також збільшиться. Тому у цьому випадку перекриття каналу в ділянці стоку (y =L) настає раніше і значення зменшиться:

(6)

2.2.Розрахунок вольт-ємнісної характеристики бар’єра Шотткі

За дії малого змінного електричного сигналу (dU) контакт метал-напівпровідник (бар’єр Шотткі) веде себе, як ємність, значення якої може бути визначене диференціюванням густини об’ємного заряду за напругою:

(7)

(м) (7а)

(Ф/м²)

де — бар’єрна ємність на одиницю площі контакту метал-напівпровідник. Перетворимо вираз (7) до вигляду:

(8)

Результати запишемо в таблицю 2.

Таблиця 2

	U,B
2.93·10^6	-2
1.845·10^6	-1
7.597·10^5
-3.256·10^5
-1.411·10^6

Рис. 8. Вольт-ємнісна характеристика контакту метал-напівпровідник (бар'єр Шотткі)

З виразу (8) зрозуміло, що графік залежності величини с_б² від зворотної напруги повинен бути прямою лінією, як показано на рис. 8, За нахилом цієї прямої, знаючи діелектричну проникність і площу контакту, можна визначити концентрацію домішки в напівпровіднику (N_d). Точка перетину цієї прямої з віссю абсцис визначає контактну різницю потенціалів .

Дослідження залежності ємності контакту метал-напівпровідник від напруги широко використовується для визначення розподілу домішки у напівпровідникових плівках та контактної різниці потенціалів бар'єрів Шотткі.

2.3.Розрахунок вольт-амперних характеристик польових транзисто­рів із затвором Шотткі

Важливими вольт-амперними характеристиками для польового транзистора з затвором Шотткі є сім'я вихідних статичних характеристик і сім'я статичних характеристик передачі.

Вважатимемо, що форма збідненого шару вздовж каналу змінюється не дуже різко, тобто зміна складової напруженості Е_у електричного поля вздовж осі у набагато менша, ніж зміна складової Е_х вздовж осі х. Під час виконання цієї умови рівняння Пуассона можна розглядати як одновимірне, окремо в напрямку осей х і у. Вважаємо, що опір базових ділянок від витоку і стоку до затвора дуже малий порівняно з опором каналу. Для такої ідеалізованої моделі польового транзистора із затвором Шотткі можна з достатньою точністю описати вихідні вольт-амперні характеристики таким виразом:

(9)

(10)

(11)

де — опір каналу транзистора за відсутності збідненого шару;

— напруга відсікання.

Таблиця 4

Uз=-0,2В	Uз=-0,4В	Uз=-0,6В	Uз=-0,7В
Ic,А	Uc,В	Ic,А	Uc,В	Ic,А	Uc,В	Ic,А	Uc,В
7.068·10^-4 9.171·10^-4 9.171·10^-4 9.171·10^-4 9.171·10^-4	0,1 0,2 0,3 0,4 0,5	1.861·10^-3 3.112·10^-3 3.819·10^-3 4.029·10^-3 4.029·10^-3	0,1 0,2 0,3 0,4 0,5	3.44·10^-3 6.007·10^-3 7.867·10^-3 9.825·10^-3 0.01	0,1 0,2 0,3 0,4 0,5	4.781·10^-3 8.221·10^-3 0.011 0.013 0.014	0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

На рис.9. показано вихідні статичні вольт-амперні характеристики (ВАХ) нормально закритого польового транзистора із затвором Шотткі.

Рис. 9. Вихідні статичні ВАХ польового транзистора із затвором Шотткі

Вираз (9), що описує вихідні статичні вольт-амперні характеристики польових транзисторів із затвором Шотткі, можна спростити для двох практич­но важливих випадків: роботи транзистора на крутій ділянці ВАХ (рис. 9), де напруга U_с малою і роботи приладу в ділянці насичення, де струм стоку І_с можна вважати постійним.

На крутій ділянці (в лінійній ділянці) при U_с<<φ-U_з можна скористатися розкладенням в ряд правої частини формули (9), і тоді отримаємо

(12)

Для ділянки насичення рівняння ВАХ польового транзистора із затвором Шотткі матиме вигляд

(13)

(14)

(А)

Значення струмів насичення при різних напругах на затворі наведені в таблиці 5.

Таблиця 5

U3	Uз=0В	Uз=-1В	Uз=-2В
,А	-6.8·10^-7	-0.019	-0.069

Важливими є також статичні характеристики передачі польового транзис­тора із бар'єром Шотткі, які відображають залежність струму стоку І_с від напруги на затворі U_з за різних постійних напруг на стоці. Оскільки здебільшого робочим режимом транзистора є режим насичення струму стоку, то характерис­тики передачі, побудовані для ділянки насичення, будуть слабко залежати від напруги на стоці. На рис. 10 показано характеристики передачі для нормально відкритого і нормально закритого польових транзисторів із затвором Шотткі.

2.4.Розрахунок основних електричних параметрів польового транзистора із затвором Шотткі

Опір повністю відкритого каналу (за відсутності збідненого шару) польового транзистора із затвором Шотткі при U_з=0 і U_c=0 визначається з виразу:

(15)

(г/м³)

де - питомий опір напівпровідника каналу n-типу провідності;

L,W,d₀- довжина, ширина і товщина відкритого каналу відповідно.

Одним з основних параметрів, що характеризує підсилювальні властивості польових транзисторів, є крутість характеристики (S), яка визначається відношенням приросту струму стоку до приросту напруги на затворі за постійної напруги на стоці.

Для ділянки насичення крутість характеристики з врахуванням виразу (13) дорівнює:

(16)

Значення крутості характеристик при різних напругах на затворі наведені в таблиці 6.

Таблиця 6

U3	Uз=0В	Uз=-1В	Uз=-2В
S	-2.5·10^-4	-0.036	-0.062

Завдяки вищій рухливості електронів (μ) у польових транзисторів на арсеніді галію забезпечуються більші, ніж в кремнієвих транзисторах, значення крутості характеристики за тих самих розмірів каналу. На відміну від кремнію для арсеніду галію характерна менша критична напруженість електричного поля, за якої дрейфова швидкість досягає насичення. Тому в арсенід-галієвих польових транзисторів ефект сильного поля проявляється за більшої довжини каналу і меншої напруги на стоці, ніж в кремнієвих транзисторах. Підвищити крутість характеристики польових транзисторів із затвором Шотткі можна за рахунок зменшення довжини каналу (L)і збільшення його ширини (W). За збільшення ширини каналу зростає ємність затвора і погіршуються частотні характеристики. Зменшення довжини каналу поряд зі збільшенням крутості зменшує ємність затвора, що підвищує швидкодію.

Важливим параметром польових транзисторів із затвором Шотткі є вхідний опір. Оскільки затвор виконаний у вигляді бар'єра Шотткі, струм втрат затвора дорівнює зворотному струму діода Шотткі, значення якого є порядку 10^-10 А, вхідний опір транзистора становить 10⁸-10⁹ Ом.

Провідність каналу між витоком і стоком (g_с) визначається відношенням приросту струму стоку до приросту напруги на стоці за постійної напруги на затворі.

За збільшення |U₃| провідність каналу зменшується до того часу, поки канал не буде повністю перекритий і при U₃= U_відс теоретично значення gс буде дорівнювати нулеві.

Гранична частота крутості (f_s) польових транзисторів із затвором Шотткі визначається часом прольоту електронів через канал (t_пр). За малої довжини каналу t_пр=L/V_еф. Відповідно f_s= V_еф/2πL. При L=0,5 мкм отримаємо f_s >60 ГГц.

Під час роботи польових транзисторів з затвором Шотткі в імпульсному режимі час їх перемикання визначається часом прольоту електронів через канал і часом перезаряджання ємності. На відміну від кремнієвих МДН-транзисторів з індукованим каналом у польових транзисторах з бар'єром Шотткі дуже малі паразитні ємності затвор-витік і затвор-стік, оскільки затвор не перекриває ділянок витоку і стоку. Крім того, є малими і бар'єрні ємності стік-підкладка, витік-підкладка, оскільки підкладкою є напівізолювальний напівпровідник з дуже низькою концентрацією домішки. Більшого значення досягає ємність затвор-канал як бар'єрна ємність метал-напівпровідник. Для зниження цієї ємності необхідно зменшити довжину затвора.

Під час використання польових транзисторів із затвором Шотткі в цифрових інтегральних схемах важливо також мати мале значення розкиду напруги відсікання (). Значення напруги відсікання залежить від добутку (d₀N_d). Якщо напруга від'ємна і при U ₃=0 через канал проходить струм, то такий прилад працює в режимі збіднення. За додатної напруги відсікання і відсутності струму стоку при U ₃=0 транзистор працює в режимі збагачення. Перший тип транзисторів має високу швидкодію, споживає більшу потужність і доволі великий струм стоку. Транзистори другого типу, що працюють в режимі збагачення, хоч і мають меншу швидкодію, зате споживають значно меншу потужність.

Відповіді на поставленні питання:

1. В чому полягає переваги використання арсеніду галію для створення польових транзисторів із затвором Шотткі?

Арсенід галію має рухливість носіїв заряду, яка в 3–4 рази перевищує рухливість носіїв заряду в кремнії. Напівізолюючий арсенід галію, на якому вирощуються робочі епітаксіальні шари, має унікальні ізоляційні властивості, що значно спрощує завдання зменшення паразитних ємностей у структурі транзистора. Інша позитивна якість GaAs – велика ширина його забороненої зони (за порівнянням з кремнієм більша на 0,3 eB) – дозволяє отримувати підкладки з питомим опором 10⁷…10⁹ Ом·см, що визначає їх чудові діелектричні властивості до частот в кілька десятків ГГц. Крім того, велика ширина забороненої зони робить GaAs перспективним матеріалом для створення приладів та інтегральних схем, що працюють в умовах підвищеної температури та радіації.

2. Пояснити виникнення насичення струму стоку на вихідних ВАХ польового транзистора із затвором Шотткі?

Насичення струму, що спостерігалося в експериментальних структурах ПТШ, пояснюється повним перекриттям провідної частини каналу. Однак протікання кінцевого струму в каналі нульової товщини означає нескінченне зростання швидкості дрейфу. Припущення нескінченно великої швидкості дрейфу суперечить відомому факту насичення швидкості носіїв у сильних полях, що виникає в результаті дії різних механізмів розсіювання.

3. Який параметр польового транзистора із затвором Шотткі характеризує його підсилювальні властивості в режимі малого сигналу? За яких умов цей параметр може приймати максимальне значення?

Параметр польового транзистора із затвором Шотткі який його підсилювальні властивості в режимі малого сигналу це є коефіцієнт підсилення за напругою. Його можна знайти за формулою:

Щоб отримати максимальне значення коефіцієнт підсилення необхідно мати більшу крутість і більший опір навантаження, однак величина останнього обмеженою шунтувальною дією ємностей транзистора.

4. Який за величиною і від яких чинників залежить вхідний опір польового транзистора із затвором Шотткі?

Затвор виконаний у вигляді бар'єра Шотткі, струм втрат затвора дорівнює зворотному струму діода Шотткі, значення якого є порядку 10^-10 А, вхідний опір транзистора становить 10⁸-10⁹ Ом.

5. Нарисувати і пояснити статичні характеристики передачі для нормально відкритого і нормально закритого польових транзисторів із затвором Шотткі?

Рис. 10. Статичні характеристики передачі для нормально відкритого (1) і нормально закритого (2) польових транзисторів із затвором Шотткі.

(І - режим збіднення, II - режим збагачення)

Для нормально відкритих транзисторів напруга на затворі, за якої проходить струм стоку, може змінюватись від від'ємних значень, що перевищують напругу відсікання, до невеликих додатних напруг (не більше ніж 0,6 В). За значних додатних напруг на затворі у вхідному колі проходитиме небажаний струм, оскільки відкривається перехід метал-напівпровідник, тому струм стоку для такого транзистора обмежений значенням I_cmax1. Для нормально закритих транзисторів напруга на затворі, за якої проходить струм стоку є додатною і може змінюватись у вузьких межах від 0 до 0,6 В. Максимальний струм стоку в цьому випадку обмежений значенням І _cmax2. Для транзисторів з однаковими розмірами каналу I_cmax1> І _cmax2.

6. Пояснити, як впливає товщина епітаксійної плівки, концентрація домішки в ній на крутість характеристики і швидкодію польових транзисторів із затвором Шотткі?

Підвищити крутість характеристики польових транзисторів із затвором Шотткі можна за рахунок зменшення довжини каналу (L)і збільшення його ширини (W). За збільшення ширини каналу зростає ємність затвора і погіршуються частотні характеристики. Зменшення довжини каналу поряд зі збільшенням крутості зменшує ємність затвора, що підвищує швидкодію.

7. Від яких чинників і як залежить гранична частота і час перемикання польових транзисторів із затвором Шотткі?

Гранична частота (f_s) польових транзисторів із затвором Шотткі визначається часом прольоту електронів через канал (t_пр). За малої довжини каналу t_пр=L/V_еф. Відповідно f_s= V_еф/2πL. При L=0,5 мкм отримаємо f_s >60 ГГц. Під час роботи польових транзисторів з затвором Шотткі в імпульсному режимі час їх перемикання визначається часом прольоту електронів через канал і часом перезаряджання ємності.

Дата добавления: 2015-08-31