Глава 2.17

Полевой транзистор с затвором в виде р-n перехода

Рассмотрим характеристики полевого транзистора, затвор у которого выполнен в виде р-n перехода. На рис. 2.17.1 показана одна из возможных топологий такого транзистора. Омические контакты к левой и правой граням полупроводниковой подложки будут являться истоком и стоком, область квазинейтрального объема заключенная между обедненными областями р-n переходов - каналом, а сильно легированные n⁺ области сверху и снизу - затвором полевого транзистора.

Конструктивно ПТ с затвором в виде р-n перехода может быть выполнен с использованием планарной технологии и в различных других вариантах. При приложении напряжения V_GS к затвору ПТ, обеспечивающего обратное смещение р-n перехода (V_GS > 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, а следовательно, увеличивается его сопротивление.

Приложенное напряжение исток-сток V_DS вызовет ток в цепи канала полевого транзистора. Знак напряжения V_DS необходимо выбирать таким образом, чтобы оно также вызывало обратное смещение затворного р-n перехода, то есть было бы противоположно по знаку напряжению V_GS. Таким образом,

полевой транзистор с затвором в виде р-n перехода

представляет сопротивление, величина которого регулируется внешним напряжением.

Рис. 2.17.1. Схематическое изображение полевого транзистора с затвором в виде р-n перехода.

Получим вольтамперную характеристику транзистора. Здесь, как и ранее, ось у направим вдоль канала, ось х - по ширине канала, ось z - по глубине канала. Обозначим L, W, Н длину, ширину и высоту канала при отсутствии напряжения на транзисторе (V_GS = V_DS = 0).

При приложении напряжения к затвору V_GS > 0 и стоку V_DS < 0 произойдёт расширение обеднённой области р-n перехода на величину    , равную

.

(2.17.1)

Поскольку напряжение исток-сток V_DS распределено вдоль канала V_DS(у), то изменение ширины канала транзистора будет различно по длине канала. При этом высота канала h(y) будет

.

(2.17.2)

Введем

напряжение смыкания V_G0

напряжение на затворе, когда в квазиравновесных условиям (V_DS = 0) обедненные области р-n переходов смыкаются h(y) =0.

Тогда из (2.17.2) следует, что

.

(2.17.3)

Соотношение (2.17.2) с учетом (2.17.3) можно переписать в виде

.

(2.17.4)

Выделим на длине капала участок от у до у+dy, сопротивление которого будет dR(y). При токе канала I_DS на элементе dy будет падать напряжение dV_DS(y), равное

.

(2.17.5)

Величина сопротивления dR(y) будет

.

(2.17.6)

Подставим (2.17.6) в (2.17.5) и проведем интегрирование по длине канала

.

(2.17.7)

Поскольку удельное объемное сопротивление    равно    , преобразуем величину   

.

(2.17.8)

Здесь    - заряд свободных дырок в канале на единицу площади. Подставляя (2.17.8) в (2.17.7) и проведя интегрирование, получаем следующую зависимость тока стока I_DS от напряжения на затворе V_G и стоке V_DS для полевого транзистора с затвором в виде р-n перехода:

.

(2.17.9)

При малых значениях напряжения исток-сток в области плавного канала V_DS << V_G

.

(2.17.10)

Если сравнить соотношение (2.17.10) с выражением (2.2.10) для тока стока МДП полевого транзистора в области плавного канала, то видно, что эти выражения совпадают при малых значениях напряжения V_DS.

Из (2.17.4) следует, что при напряжениях V_G < V_G0 всегда можно найти такое напряжение на стоке V_DS, когда вблизи стока произойдет смыкание канала h(y = L, V_G, V_DS) = 0.

Аналогично процессам в МДП ПТ это явление называется отсечкой. Из (2.17.4) следует, что напряжение отсечки V^*_DS будет

.

(2.17.11)

Также заметим, что выражение (2.17.11) аналогично соотношению (2.2.11) для напряжения отсечки МОП ПТ, а напряжение смыкания V_G0 имеет аналогом величину порогового напряжения V_Т.

По мере роста напряжения исток-сток V_DS точка отсечки перемещается от истока к стоку. При этом аналогично МДП ПТ наблюдается независимость тока стока от напряжения на стоке и эффект модуляции длины канала. Подставляя (2.17.11) в (2.17.9) получаем зависимость тока стока I_DS в области отсёчки для полевого транзистора с затвором в виде р-n перехода

.

(2.17.12)

В области отсечки выражение (2.17.12) хорошо аппроксимируется квадратичной зависимостью вида

.

(2.17.13)

На рис. 2.17.2 показаны вольтамперные характеристики ПТ с затвором в виде р-n перехода. Отличительной особенностью их является тот факт, что при напряжении на затворе V_G = 0 канал транзистора открыт и величина тока через него максимальна.

Быстродействие ПТ с затвором в виде р-n переходов обусловлено зарядкой барьерных емкостей С_G затворных р-n переходов через сопротивление канала R_K. Величина времени заряда    . Емкость затвора С_G и сопротивление канала R_K равны

;

;

(2.17.14)

.

(2.17.15)

Выражение (2.17.15) имеет минимальное значение при ширине обеднённой области    , при этом граничная частота

.

(2.17.16)

При значениях H = L для кремния () с удельным сопротивлением    , равным   = 1 Ом*см, граничная частота будет составлять величину несколько гигагерц.

Рис. 2.17.2. а) Выходные характеристики транзистора КП 302Б; б) Начальные участки выходных характеристик транзистора КП 302Б.