TRANZYSTORY POLOWE WYK. 12 SMK Na pdstw. W. Marciniak, WNT 1987: Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone

Transkrypt

1 TRANZYSTORY POLOWE WYK. 1 SMK Na dstw. W. Marciniak, WNT 1987: Przyrządy ółrzewodnikowe i układy scalone Tranzystory, w których ma miejsce transort tylko jednego rodzaju nośników większościowych. Sterowanie rądu wyjściowego orzez ole elektryczne (FET). Efekt olowy zmiana konduktywności ciała wskutek oddziaływania nań olem elektrycznym. zielą się na: - złączowe (JFET Junction Field-Effect Transistor) wytwarzane z Si monokrystalicznego, kanał tyu n lub, ze złączem tyu -n (PNFET) lub metal-ółrzewodnik (MESFET Metal Semiconductor FET) elementy mikrofalowe z GaAs tyu n, - z izolowaną bramką (GFET nsulated Gate Field-Effect Transistor) wytwarzane z ółrzewodnika monokrystalicznego (Si) lub olikrystalicznego (dse, ds it.) W ierwszym rzyadku odstawową strukturę tworzą warstwy metal-izolator-ółrzewodnik (MS metal-insulator-semiconductor) lub MSFET; najczęściej izolatorem jest warstwa SiO MOSFET. W drugim rzyadku TFT (Thin Film Transistor) odstawowa struktura MS. Oba tyy tranzystorów mogą mieć kanał tyu n lub. 1. Tranzystory olowe ze złączem -n (PNFET) Rys. 1. Podstawowe struktury (a) i symbole graficzne (b-e) tranzystorów PNFET 1

2 Tranzystory z kanałem tyu n: na odłożu tyu + (dolna bramka) nanosi się warstwę eitaksjalna tyu n (kanał), w której nastęnie metodą dyfuzji lokalnej wytwarza się warstwę + (górna bramka). Końcową oeracją jest wykonanie kontaktów metalowych do warstw + (elektrody górnej i dolnej bramki) oraz do kanału tyu n (elektrody źródła i drenu). Wymiary geometryczne: L długość kanału, a grubość kanału, Z szerokość kanału. Tranzystory PNFET mają budowę symetryczną nazwy źródło i dren wynikają ze sosobu olaryzacji tych elektrod. Prąd w kanale jest strumieniem nośników większościowych, dostarczanych rzez źródło i odbieranym rzez dren (wyższy otencjał dodatni dla ty n, ujemny dla tyu ). Oznaczenia końcówek: S-źródło, G-bramka, -dren i otencjałów stałych: U S otencjał źródła, U G otencjał bramki, U otencjał drenu, U naięcie bramka-źródło, U S naięcie dren-źródło. Strzałki od P do N. Najczęściej obie bramki są wewnątrz obudowy zwarte i tranzystor PNFET jest elementem trójkońcówkowym (rys. 1 c,d,e). Tranzystor PNFET racuje tylko rzy olaryzacji zaorowej złącza bramka-kanał jeden sosób olaryzacji, w orównaniu do czterech dla tranzystora biolarnego. Rys.. Sosób olaryzacji tranzystora PNFET W rzyadku kanału tyu n: U <0, U S >0; tyu : U >0, U S <0. a). Zasady działania tranzystora PNFET Najistotniejsze zjawiska zachodzą w obszarze kanału od bramką górną: nteresujące są dwie charakterystyki: = rzejściowa (U ) U S =const, = wyjściowa (U S ) U =const, wyznaczane w układach okazanych na rys. 4. Zjawiska określające rzebieg charakterystyki rzejściowej ilustrują rzekroje tranzystora okazane na rys. 5. Rozważamy rzyadek U S 0. W stanie bez olaryzacji bramki (U =0) warstwa zaorowa złącza bramka-kanał wnika na niewielką głębokość do obszarów + i n (głębiej do kanału niż do bramki). Warstwa zaorowa jest obszarem o zubożonej koncentracji nośników, o dużej rezystywności. Prąd kanału łynie, więc w obszarze ograniczonym rzez krawędzie warstw zaorowych. W miarę jak wzrasta ujemna wartość naięcia U warstwy zaorowe rozszerzają się, zmniejszając rzekrój kanału. Rośnie rezystancja kanału, czyli rzy U S =const maleje rąd drenu. alszy wzrost naięcia U rowadzi do zetknięcia się warstw zaorowych rąd drenu osiąga wartość zerową stan odcięcia lub zatkania (naięcie odcięcia lub zatkania U inch-off) rezystancja kanału kilka gigaomów. Jeszcze większy wzrost naięcia U może sowodować rzebicie złącza bramka-kanał.

3 Rys. 3. Wyidealizowana struktura tranzystora PNFET Rys. 4. Układy włączenia tranzystora rzy omiarze charakterystyki rzejściowej (a) i wyjściowej (b) Przy U S =const rąd drenu jest odwrotnie roorcjonalny do rezystancji kanału: ~1/R ; R ~1/X, X =(a-d); ~(a-d). la skokowego modelu złącza (d=0 dla U =0, B =0): d~ U 1/, d=a dla U =U : (U )/ (U =0)~(a-d)/a=1-(U /U ) 1/ Rys. 5. lustracje rofili kanałów wyjaśniające rzebieg charakterystyki rzejściowej dla U S =0 Rys. 6a okazuje charakterystykę wykreśloną w oarciu o owyższy wzór, rys. 6b okazuje charakterystykę (U ) dla różnych wartości U S. Przekroje tranzystora dla charakterystyki wyjściowej i U =0 okazuje rys. 7. 3

4 Rys. 6. harakterystyki rzejściowe (U ): a). rzy U S ~0, b). rzy U S 0 Przy małych wartościach naięcia U S, tranzystor zachowuje się jak rezystor liniowy: rzyrosty rądu drenu są roorcjonalne do rzyrostu naięcia U S. alszy wzrost U S rowadzi do zmiany rozkładu otencjału wzdłuż kanału, wywołany sadkiem naięcia na rezystancji kanału wskutek rzeływającego rądu. Kanał rerezentuje łańcuch rezystorów, na których owstają sadki naięć. W wyniku różnicy otencjałów między bramką, a kanałem, złącze bramka-kanał olaryzowane jest w kierunku zaorowym. m bliżej drenu tym ta olaryzacja jest silniejsza. Odowiednio do tej olaryzacji rozszerza się warstwa zaorowa, czyli maleje efektywny rzekrój kanału (X ). Prąd kanału łynie w obszarze tyu n o kształcie klina, którego rofil wyznaczają krawędzie warstw zaorowych. Rys. 7. lustracje rofili kanałów wyjaśniające rzebieg charakterystyki wyjściowej dla U =0 Rezystancja kanału jest > niż dla U S =0. alszy wzrost naięcia U S owoduje dalsze zaciskanie kanału i rzyrosty rądu drenu nie są roorcjonalne do rzyrostu naięcia drenu. Rezystancja dren-źródło R S jest, więc nieliniowa. Gdy U S = U obie warstwy zaorowe zetkną się w unkcie Y unkt odcięcia. alszy wzrost naięcia U S nie owoduje zmian rądu drenu, gdyż nadmiar naięcia (onad U ) odkłada się na rozszerzającym się obszarze zubożonym Y - nasycenie rądem drenu. 4

5 Rys. 8. harakterystyki wyjściowe (U S ) U =const: a). dla modelu uroszczonego, b). z uwzględnieniem nachylenia w zakresie nasycenia Punkty charakterystyczne: naięcie odcięcia U, rąd nasycenia SS. laczego rąd drenu jest stały skoro warstwy zaorowe zetknęły się? Konsekwencją założenia o braku rzeływu rądu w obszarze warstwy zaorowej jest rzerwanie drogi rądu w unkcie Y rzy ołączeniu się obu warstw zaorowych. Oznaczałoby to, że =0, a więc znika rzyczyna rozszerzania się warstw zaorowych, co rzeczy ostawionej tezie. Prąd drenu może się tylko zwiększać lub nie zmieniać. Widocznie istnieje transort nośników w obszarze zubożonym. Na odcinku YY istnieje składowa wzdłużna ola elektrycznego, unosząca elektrony w stronę drenu (jak dla tranzystora biolarnego w obliżu złącza B-). Można też rzyjąć, że do całkowitego zetknięcia się warstw nie dojdzie, gdyż w miarę zwężania się kanału natężenie ola elektrycznego w obliżu drenu jest tak duże, że nastęuje nasycenie szybkości unoszenia elektronów nasycenie rądu. Wływ naięcia U 0 na rzebieg charakterystyki wyjściowej można wyjaśnić na odstawie rys. 9. Rys. 9. lustracje rofili kanałów wyjaśniające rzebieg charakterystyki wyjściowej dla U =0 W stanie U 0, U S =0 kanał jest zwężony równomiernie na całej długości. Ze wzrostem naięcia U S kanał zwęża się rzy drenie, aż dochodzi do odcięcia rzy wartościach U S i mniejszych niż dla U =0. U sat =U -U rzy r =0 (szeregowa rezystancja drenu), U sat U -U rzy r 0. Różne od zera nachylenie charakterystyk (U S ) w stanie o odcięciu kanału należy tłumaczyć, więc zjawiskiem skracania się kanału (jego rezystancja maleje-rąd rośnie) odcinek YY wydłuża się w miarę zwiększania U S. 5

6 Pole charakterystyk wyjściowych dzieli się na dwa zakresy: zakres nienasycenia (triodowy, liniowy) oraz zakres nasycenia (entodowy). Punkty sat, U sat wyznaczają arabolę rozdzielającą oba te zakresy. Tranzystor PNFET może racować w jednym z trzech zakresów: - nierzewodzenia (zatkania): U >U, U S dowolne, - nienasycenia: U <U oraz U S U sat, - nasycenia: U <U oraz U S > U sat b). harakterystyki i arametry statyczne - Przebieg charakterystyk statycznych w istotny sosób zależy od rozkładu koncentracji domieszek w kanale tranzystora (Bockemuehl rozwiązanie analityczne). - zakres nienasycenia, rozkład równomierny domieszek w kanale; charakterystykę (U S, U ) wyznacza się całkując wzdłuż kanału sadki naięć na elementarnych wycinkach kanału (metoda Shockleya): 3/ 3/ O{ U S [ B S B ]}; O az / L; qnnn 3 a dla tranzystora tyu n U S ze znakiem +, U ze znakiem -, G SO konduktancja kanału, = / qn. s - zakres nienasycenia, rozkład szilkowy; charakterystykę wyznacza się metodą ładunkową (Middlebroocka): [( U ) U / ]; G / U - zakres nasycenia, rozkład równomierny sat dla U S S sat S - zakres nasycenia, rozkład szilkowy 1 sat dla U S sat sat ( U ; SO sat G ; SO ) U { 3 [1 ( U 3 / U ) 1/ ]} Rys. 10. Rozkłady koncentracji domieszek dla dwóch rzyadków: a)., b). duża grubość kanałów, rozkład równomierny; c)., d). mała grubość kanałów rozkład szilkowy 6

7 W dokładnej analizie charakterystyki rądowej w zakresie nasycenia należy uwzględnić efekt skracania kanału (charakterystyka (U S ) ma nachylenie różne od zera): = sat (1-L) -1, odcinek YY, =f(u S ) - arametry statyczne: - U naięcie odcięcia, SS rąd nasycenia dla U =0 = równomierny rozkład domieszek U qn a / ; ( qn a / ) G /3; B s SS = rozkład szilkowy U qn ca / s; SS OqN ca / s; O qn NcZ / L - r S(ON) rezystancja dren-źródło rzy U =0 i U S ~0 1/G SO, - S rąd bramki rzy dużym naięciu U i U S =0 - BU naięcie rzebicia bramka-źródło rzy U S =0. s B SO G SO q N n az / L - model statyczny tranzystora PNFET Najrostszy model statyczny rys. 11a, R i (kilka M lub G) rezystancja złącza bramkakanał solaryzowanego w kierunku zaorowym; zależne źródło rądowe ma ostać charakterystyki naięciowo-rądowej. W dokładniejszym modelu uwzględnia się rezystancje szeregowe źródła i drenu (rys. 11b) (kilkadziesiąt ): Rys. 11. wa modele statyczne tranzystora PNFET: 1 symbol sterowanego źródła rądowego oisanego równaniami charakterystyk tranzystora PNFET c). Praca dynamiczna nieliniowa Tranzystor PNFET(JFET) jest elementem inercyjnym z uwagi na: - ładowanie warstwy zaorowej złącza bramka-kanał, - skończony czas rzelotu nośników rzez kanał Rys. 1 rzedstawia arametry tranzystora idealnego i rzeczywistego (części wewnętrzna i zewnętrzna). W stanie ustalonym rąd i G =0, i =i S. W stanie nieustalonym (gwałtowna zmiana naięcia U ) i G 0 (rąd rzesunięcia związany z ładowaniem warstwy zaorowej), i i S. la tranzystora z kanałem n: i G =i -i S =dq /dt (Q c -ładunek kanału). Przyjmując, że: - zmiany ładunku są quasi-równowagowe (ominięcie skończonego czasu rzelotu), - stała czasowa rzeładowania warstwy zaorowej = czasowi rzelotu: Q =f(u, U -U S ); Q B zmiana ładunku w warstwie zaorowej (Q =-Q B ): Q i G = u du dt Q u G du dt G 7

8 efiniujemy ojemności różniczkowe: QB gsi ug - ojemność bramka-źródło dla tranzystora idealnego u QB gdi u - ojemność bramka-dren dla tranzystora idealnego u G Rys. 1. Struktura tranzystora PNFET ilustrująca sens fizyczny oszczególnych elementów schematu zastęczego. Kierunek rądu bramki odowiada skokowi naięcia U od zera do wartości ujemnej Stąd: i G = gsi du /dt+ gdi du G /dt (rąd w obwodzie bramka-źródło+rąd w obwodzie bramka-dren) la tranzystora idealnego odowiada to schematowi zastęczemu z rys. 13a: Rys. 13. wa modele dynamiczne nieliniowe tranzystora PNFET la tranzystora rzeczywistego trzeba uwzględnić ojemności warstwy zaorowej gse i gde oraz rezystancje szeregowe źródła r S i drenu r (rys. 6.19b): gs = gsi + gse ; gd = gdi + gde Obie ojemności zależą od naięć u G i u. harakterystyki naięciowo-ojemnościowe odawane są w katalogach. Przeciętnie gsi ~5F, gdi ~F, gse, gde ~1F. d). Praca z małymi sygnałami odobnie jak dla tranzystora biolarnego modele czwórnikowe lub modele fizyczne. Ponieważ imedancja wejściowa i wyjściowa tranzystora olowego są bardzo duże, głównie stosuje się macierz y. Zais macierzy i definicje arametrów admitancyjnych są takie same. - modele i arametry dla małych częstotliwości model quasi-statyczny otrzymuje się linearyzując elementy modelu statycznego (rys. 11). Przyjmuje się, że R i rezystancja 8

9 liniowa, funkcję (U, U S ) rozkłada się w szereg Taylora i ozostawia wyrazy rzędu ierwszego: i u S us ; i, u, u S małe amlitudy sygnałów zmiennych. efiniuje się: gm U S const - transkonduktancja gds S U const - konduktancja wyjściowa Rys. 14a okazuje schemat zastęczy dla małych sygnałów małej częstotliwości lub w wersji dokładniejszej z rezystancjami źródła i drenu (rys. 14b). Różniczkując charakterystykę naięciowo-rądową otrzymujemy: - zakres nienasycenia g m = S liniowa zależność od U S - zakres nasycenia g m =(U -U P ) liniowa zależność od U - zakres nienasycenia g ds =(U -U P -U S ), / L, ZL a n g g s / - zakres nasycenia g ds =0 ( w rzeczywistości g ds 0, bo i się zmienia). Rys. 14. wa modele liniowe tranzystora PNFET dla sygnałów małej częstotliwości - modele i arametry dla dużych częstotliwości schematy z rys. 14 należy uzuełnić ojemnościami międzyelektrodowymi gs oraz gd, a także ds. Rys. 15a okazuje orientacyjne wartości elementów tranzystora małej mocy racującego w zakresie nasycenia U =0. Wystarczająco dokładny w zakresie do kilkudziesięciu MHz. Rys. 15. wa modele liniowe tranzystorów PNFET dla małych sygnałów dużej częstotliwości W zakresie dużych częstości (arametry tranzystora nie są skuione, lecz rozłożone) tranzystor należy modelować linią długą R (rys. 15b). 9

10 zęstotliwość maksymalna tranzystora związana jest ze skończonym czasem rzelotu nośników rzez kanał i ze stałą czasową ładowania ojemności bramka-kanał: zas rzelotu: L/ E L / U ; 1/ U / L n y n S max Stała czasowa ładowania ojemności bramka-kanał: G = g r ; max =1/ g r. W stanie nasycenia (U =0) szl L / ; r ; max a q N / L ; f max a / 4 a / az L g n s c s dla tranzystora c idealnego. Można też zdefiniować częstotliwość graniczną jako taką, rzy której rąd wejściowy łynący rzez ojemność g jest równy wydajności wyjściowego źródła rądowego g m u : max n U P / L nie zależy od szerokości kanału Z. Zwiększeniu częstotliwości maksymalnej srzyjają: - duża konduktywność kanału (tranzystory tyu n szybsze niż ) - duża grubość kanału (ale wtedy rośnie U P ), - mała długość kanału (możliwości technologii); w tranzystorze rzeczywistym max jest <. n S 10