fo 342 ЗШ зи

IS ffru , в

Рис. 2.5. Семейство ВАХ мощного МДП-транзистора IRF130

(2.4) (2.5) (2.6)

Рнс. 2.4. Динамическая передаточная характеристика схемы рис. 2.2 вида [/си =f{U3H)

Выражения для ВАХ идеализированной структуры маломощного МДП-транзистора хорощо известны и приведены в ряде работ [1, 26, 38]. Показано, что /с определяется с помощью трех формул;

/с = 0 при £/зи<0.

с = Н2/си(/зи-о)-СсиГ при 0<£/cH<([/3H-f/o). fc-f>i3H-Uor при 0<(£/3 -£/o)<f/(,jj, где р - удельная крутизна, равная

p = jiZCo/I, (2.7)

Co = 88od (2.8)

- удельная емкость канала; d -толщина диэлектрика; L - длина канала-Z - его щирина (общая).

Для (2.6) характерна квадратичная зависимость /с от [/зи При этом крутизна S (2.2) на пологих участках ВАХ непрерывно растет с ростом

S=Mf/3H-f7o). {2.9)

а выходное сопротивление (2,1) на начальных участках ВАХ падает

/?; = l/2p(f/3j,-f/ ). (2.Ш)

Для многих типов (особенно зарубежных) мощных МДП-транзисторов такое поведение в первом приближении вполне корректно. На рис. 2.5

показано сравнение расчетных (штриховые линии) и экспериментальных ВАХ для прибора IRF130 [39]. Ес.тн для крайних кривых ВАХ совпадение их вполне приемлемо, то для промежуточных кривых и малых UcH погрещность вычисления /с резко возрастает (до десятков про. центов). Для больщинства отечественных мощных МДП-транзисторов (особенно с горизонтальным каналом) соотношения (2.4)-(2.6) дают качественно неверный результат, поскольку их передаточная характеристика резко отлична от квадратичной.

/У ?J

93 9и

Рис. 2.6. Физико-топологические мо дели для расчета ВАХ прибора с го ризонтальным каналом (а) и V-об разной канавкой (б)

С....и I.JU. ..... ----.....----

вязано это с уменьшением подвижности носителей в канале и влиянием последовательных сопротивлений стока и истока.

Более точные расчетные выражения для ВАХ получены в [40]. В ней рассмотрены мощные МДП-транзисторы, идеализированная структура которых показана на рис. 2 6. Считая, что распределения акцепторной примеси Ag и доиорной Лд равномерные, можно воспользоваться следующи.м выражением для тока стока:

/с=- {E,Ey)q{U,)dX,

(2.11)

E = dUldX, £ = 8 (£/з-[/х)/йд8 , (2.12)

ц(£ £,)=цо/(И-£х/5х*)(1-Ь£у/£у*). (2.13)

где L и Z - длина и ширина канала; Ех и Еу - напряженности продольного поперечного полей в канале; Ех* н Еу* - их критические значения, прн которых подвижность р, падает вдвое; Qn - полный заряд подвижных носителей в канале; [.lo-начальная подвижность; Ux, Uc и Uy - напряжения в точке X канала, на стоке и истоке соответственно; 8д, 8п - диэлектрическая проницаемость диэлектрика и полупроводника; йд-толщина диэлектрика на затворе.

Поскольку я-область у мощных МДП-транзисторов соединена с истоком и заряд подвижных носителей намного больше заряда в обедненной --области, полный заряд

Q = Q3 = Co([/3-[/.), (2.14)

где Qa - заряд на затворе;

Со=88о/Йд. (2.15)

Малое у мощных МДП-транзнсторов пороговое напряжение Uo полагается равным нулю, так как учет Uоф возможен в конечных формулах (суммированием с Us). Усредняя далее продольную составляющую иапря-жеиности электрического поля в канале

E = UolL, (2.16)

подставляя (2.11)-(2.16) в (2.11) и выполняя интегрирование, можно найти ВАХ активной области прибора:

иг [/,* + [/з-[/,

с/ -

при(/с<[/з. (2.17) при £/с->[/з, (2.18)

где b = ZCo\i,IL. U* = LEx*. £/з=8пйд£у*/Зд. Эт выражения определяют завгсимость Iq от и [/(- для трех характерных случаев:

1. Подвижность n-=no = const, [/з [/з, и-ри- Полагая прн этом в (2.18) Ul+UvUl, 1п(Ц-[/з)/£/з С/з/[/;-[ 2[/;2,пол>чагм квадратичную ззвксимость для -маломощных приборов: /сн=*3-

2. Подвижность .и зависит только от поперечной составляющей Еу, и*з f/3 fc- В этом случае UjU* 1п (f/*/[/;), Uc + UkUc и /с = = 6U*U3, т. е. ток стока насыщения лп:1сй..о зал.х!т от £/3 и крутизна передаточной характеристики S, = bUl = const. Этот случай реализуется у серий;гых мощи Х МДП-транзнстороз в широкой области рабочих напряжений н токов.

3. На подвижность влияют обе составляющие напряженности поля в канале: UU, U* <U. В этом случае з/з 1п (t/g/f/g), (/с+ -ft/gwt/gjj и ток стока насыщения достигает предельного значения

Сн макс=*ЗС = впМу*£лг*-. Т. е. перестает зависеть от U. Этот с лучай у шшных МДП-транзисторов реализуется при больших напряжениях на затворе. Ои ответствен за наблюдаемзш спад зависимости крутизны S от напряжения на затворе при больших (/3 и больших и позволяет оценить предельные возможности мощных МДП-транзисторов.

В пологой области рост /с от Uc у мощных МДП-траизисторов с .малой длиной канала наблюдается вследствие укорочения канала, обуслозленного расширением обедненной стоковой области, на величину /к. Кроме того, существует еще один механизм роста тока - пробой стоковой п+р области. Оба этих механизма можно учесть с помощью аппроксимации /с = /си/ (1 - -/о/[1-(t/c/Lnp)*], где первый член описывает рост /с вследствие роста /к, второй - пробой п+ = р перехода с обратным током ! и напряжением пробоя [/пр. Оба этих механизма обусловливают уменьшение дифференциального выходного сопротивления на пологих участках ВАХ. Показатель степени л 2.

Ориентировочно ширина областей объемного заряда в стоковых п-- и р-областях при малых токах стока может определяться по формулам, справедливым для неси.мметричного резкого перехода:

/с (0) У2е г, (Uc-U)lqN,i, U (0) NU (0)/Аа-

Поскольку у мощных МДП-транзисторов ЛаЛд, то область объемного заряда с ростом напряжения Uc распространяется преимущественно в сток.

Для приборов (рис. 2.6, а), имеющих --область малой толщины, при больших токах /с существен механизм смещения границы области объемного заряда, обусловленный накоплением в этой области динамического объемного заряда подвижных носителей. Рост ширины области объемного заряда (003) при увеличении Uc и /с ведет к изменению сопротивления --области вследствие изменения длины неперекрытого участка 003 согласно отношению Гс = ГсоРп(1п-1с)/ус*2, где р , /п -удельное сопротивление и длина +-области стока; Гсо - сопротивление л+-области стока и омического контакта. Согласно расчетным данны.м уменьшение Го вследствие указанного эффекта смещения 003 при больших /с и Uc достигает значений 20... 50% от Лео и должно учитываться, поскольку оно определяет остаточное напряжение включенного транзистора. В вертикальной V-структуре (рис. 2.6,6) ток /с течет поперек тонкой --области, сопротивление которой мало, и его модуляцию можно не учитывать.

Температурная зависимость параметров легко учитывается заменой Uo на Uo{T) (где Т - температура) и заменой цо на o(T), где \io(T) = = хо(7о) (Го/Г) ; ло(Го) - значение цо при заданной температуре Го (обычно О или 20° С); т - коэффициент аппроксимации, значение которого зависит от структуры прибора и технологии его изготовления.

В [40] приведены данные расчета с помощью ЭВМ семейства ВАХ мощного ПТ КП907 при следующих данных; Ла = 2-10* см ; Лд=Ы05 см ; £* = 5-10* В/см; £,/=1,5-105 в/м; рп=1 Ом-см; г/с*=2-10-3; л =Лс = = 1 Ом; й(д = 2-10-5 см; 80=8,86-10-* Ф/см; еп = 3,5; 8д = 7; ло = = 600 см/В-с; (;г=1,6-10-К и и т = 1-10 см/с. Расчетное к экспериментальное (штриховые линии) семейства ВАХ, представленные на рис. 2.7, а, свидетельствуют о довольно высокой точности расчета. Были рассчитаны также значения крутизны S (2.2) в функции от напряжения иа затворе из (при [/c = const) и на стоке Uc (при [/з =const). Полученные зависимости (рис. 2.7, б, в) также соответствуют экспериментальным. Качественных отличий ВАХ от реальных не наблюдается.

Хотя подобный анализ ВАХ позволяет определить /с([/си, [/зи ) в широком диапазоне рабочих напряжений и токов, он довольно сложен.

S, нА/В 200

Л7 и,В

S, мА/В 220 180

О 0,5 I 1,51,А 4>

Рис. 2.7. Расчетные и экспериментальные семейства ВАХ мощного МДП-транзистора КП907 (а) и зависимости крутизны от напряжения на затворе

(б) и стоке (в)

К сожалению, это относится и к другим попыткам получения теоретических ВАХ исходя из анализа физико-топологических моделей мощных МДП-транзисторов. В связи с этим возрастает роль аппарата и методов аппроксимации ВАХ. Они рассматриваются в дальнейше.м.

2.2. Вольт-амперные характеристики мощных полевых транзисторов с управляющим р-п переходом

Мощные кремниевые ПТ с управляющим р-п переходо.м бывают двух основных типов; обычные (с пеитодной ВАХ) и со статической индукцией (с триодной ВАХ). Во всех этих приборах управляющее напряжение U меняет ширину обедненной области р-п перехода, что ведет к изменениям толщины канала и тока стока.

Входная характеристика этого класса приборов описывается обычным выражением для ВАХ р-п перехода;

/з = /о(ехр([ /пф.)-1), (2.19)

где /о -обратный ток р-п перехода; /п - коэффициент, учитывающий рекомбинацию носителей в р-п переходе; фт-тепловой потенциал (т-Тщ, где yfe - постоянная Больцмана; (7-заряд электрона; Г-абсолютная температура). При комнатной температуре (20° С) фт = 0,025 В.

На рис. 2.8 представлена входная ВАХ кремниевого ПТ с управляющим р-п переходом. Тэ::и /з даже при обратном смещении на затворе заметны (например, до 1 мА у приборов КП926А), а при прямом смещении резко возрастают. Рост /з наблюдается и при больших обратных напряжениях из-за возникновения электрического пробоя р-п перехода.

Для семейства ВАХ ПТ данного класса с -каналом известны следующие выражения;

3[/,

/со 0

при £7(,и>ЗИ~~о -fB,

3/2 /t/з --t/зЗ/2

(2.20)

U3H~CH~Ub

- 1 (2.21)

\i<U3H-o~U.

Здесь /со -ток стока при [/зи -Ь[/в = 0 и [/сн=-[/о; [/о - напряжение отсечки; [/в - внутренний потенциал (для кремниевых приборов [/в 0,7 В, [/о 4 В). Для приборов с каналом р-типа полярность напряжений и токов меняется ва противоположную.

1,д?Д ВАХ, рассчитанных по (2.20), (2.21), мало отличается от вида оАЛ МДП-транзисторов. На рис. 2.9, а представлено семейство ВАХ МОщиого

Si C-zh.

±

Рис. 2.8. Вид выходных ВАХ кремниевого и арсенид-галлие-вого полевых транзисторов с управляющим р-п переходом

Рис. 2.9 Семейство ВАХ транзистора КП801 с > правляю-щим р-п переходом (а) п его передаточные характеристики (б)

Si ПТ с управляющим р-п переходом КП801, а на рис. 2.9, б - его передаточная характеристика.

Вид семейства В.\Х мощных ПТ с управляющим р-п переходом зависит от длины канала. Приборы с малой длиной канала имеют ВАХ, подобные приведенным па рис. 2.10. Здесь .можно наблюдать постепенный переход от пентодного вида ВАХ к триодному . В последнем случае дифференциальное сопротивление резко падает вплоть до значений, при которых SRi<\, Этот эффект привел к появлению т.ового класса мощных ПТ с СИТ, имеющих ярко выраженные триодныг 3.\Х (рис. 2.И). При подаче отрицатель-

Рис. 2.10. Семейство ВАХ кремниевого по.швого транзистора с коротким каналом обнаруживает переход с пенгодной области в триодчую

Рис. 2.11. Семейство выходных ВАХ КП802 в полевом режиме работы со статической индукцией

ного смещения на затвор СИТ работает подобно вакуумному триоду -ток fmnooP * пространственным зарядом. При положительном смещении ва управляющем переходе СИТ превращается в биполярный транзистор. Бипо-учя?т Л Av Р позволяет получать меньшие на начальных участках ВАХ, но ведет к резкому снижению быстродействия ключевых

Л 0,25

fO 20 JO W SO

-fS-fS-f -12-10 -8 -6 -V -2 l/,.,B

Рис. 2.12. Зависимости сопротивления Рнс. 2.13. Семейства передаточных канала от входного тока для СИТ В.4Х и КП802

КП802 в биполярном режиме Семейство триодных ВАХ СИТ описывается выражением [2Э]

/с=/оехр{[-ет1(ЙГ)](С;з-[/з/ц*)}. (2-22)

где л* - внутренний коэффициент усиления; ti - коэффициент, зависящий от структуры прибора; /о - масштабный ток. Значение ti возрастает при уменьшении ширины канала и концентрации при.месей в не.м.

При больших плотностях тока в канале (2.22) дает большие погрешности из-за неучета последовательных сопротивлений областей стока и истока Ги. В этом случае [29]

/с= ([/с + Ц*С/з)/[(1 + \*) + Rzl (2-23)

Внутренний коэффициент усиления

(2.24)

/C=const

где W к Wa - расстояния от центра затвора до границы нейтральных областей стока и истока соответственно. Внутреннее сопротивление СИТ

Го = dUc/dIc=ii(dU3 Idle) = р/5о, (2.25)

где х - внешний коэффициент усиления (пропорционален pt*).

Передаточные характеристики СИТ (рис. 2.13) имеют довольно протяженные линейные участки, что делает перспективным применение СИТ в усилителях мощности с .малы.ми нелинейны-мп искажениями. Из этих характеристик видно, что эти приборы нормально (т. е. при [/зи = (Узи= = 0) открыты.

К прибора.м с управляющим р-п пере-Х0Д0.м относятся также мощные ПТШ, Входная ВАХ их также описывается выражением (2.19).

На рис. 2.14 представлено семейство выходных ВАХ одного из наиболее сильноточных мощных ПТШ КП915. Этот прибор фактически содержит в одном корпусе четыре структуры транзисторов КПЭЮ. Все мощные ПТШ пока являются низковольтными приборами (t/CI макс7 ... 8 В).

51/, В

Рис, 2,14. Семейство выходных ВАХ мощного полевого транзистора с барьером Шотки ЗП915

200 700