Идентификация параметров математических моделей биполярных транзисторов КТ209Л, КТ342Б и полевого транзистора КП305Е (стр. 2 из 5)

Выход на слабую зависимость тока стока от величины приложенного напряжения сток-исток происходит в связи с тем, что образуется горловина (область вблизи стока, лишённая носителей заряда). При дальнейшем увеличении стокового напряжения имеет место уменьшение эффективной длины канала и возможно смыкание областей истока и стока. Причины данного поведения кроются в модуляции длины канала под действием UDS и генерации- рекомбинации носителей заряда в обедненной области стока.

В режиме насыщения ток стока изменяется в соответствии с формулой:

Основные особенности структуры в области насыщения:

- обедненный слой простирается в область канала, и толщина этого слоя зависит от напряжения Uси;

- падение напряжения на участке канала, начинающемся от истока, в первом приближении не зависит от потенциала стока.

В пологой области ВАХ напряжение на канале имеет тенденцию оставаться постоянным и равным UGS – UTO. Поэтому разность между потенциалом стока и падением напряжения на канале оказывается приложенным к ОПЗ у поверхности полупроводника (длина этого слоя L’). И падение напряжения на этом слое равно UDS- (UGS – UTO). При росте UDS величина L’ возрастает, т.е. модуляция напряжения UDS приводит к модуляции эффективной длины канала L = Lт - L’, где Lт - полная длина канала от истока до стока. Увеличение напряжения на стоке уменьшает длину канала и, значит, его сопротивление. Для сохранения постоянного напряжения на канале (UDS – UTO) ток стока должен возрасти так, чтобы компенсировать уменьшение сопротивления канала. Этот рост тока стока с ростом выходного напряжения выявляет положительную обратную связь, которая обусловливает конечное выходное сопротивление птик. Чаще модуляцию длины канала учитывают модификацией уравнения для тока стока в насыщении:

Ic = (b/2)(UGS – UТО)2(1+lUDS).

Типовые значения параметра модуляции l =(0.01-0.1) 1/В. Т.е. для полевых транзисторов этот эффект есть аналог эффекта Эрли с точки зрения влияния питающего напряжения на выходные характеристики МДП- транзисторов. При соединении истока и подложки накоротко они находятся под одним потенциалом, а значит ток генерации Ig уравновешивает ток рекомбинации Ir в р-n переходе” исток - подложка”. Сток и подложка образуют обратносмещенный р- n переход, в котором Ig >>Ir. Этот ток складывается с током стока Ic и дает дополнительный вклад в наклон ВАХ МДП транзистора в области насыщения.

4. Эффект подложки

Под этим явлением понимают изменение характеристик транзистора при подаче напряжения на исток-подложку. С ростом напряжения на подложке (нижнем затворе) относительно истока (UBG) область обедненного слоя расширяется вглубь подложки. Т.к. Qp = Qss + Qос + Qр, то рост Qос приводит к увеличению UTO, а значит и к уменьшению ID. С учетом обратного смещения подложки относительно истока для порогового напряжения получается соотношение:

UTO = - K(2UF + UBG)1/2 + Uпс.

Здесь К = ±(2qee0N/Cd)1/2

Uпс = Qss/ Cd,

UF = kT /qln(N/ni) - потенциал Ферми (N = Nd - для прибора с каналом р-типа и Na -для прибора с каналом n-типа. Зависимость Uпор от величины (UF - Uпз)1/2 представляет собой линейную функцию. Из тангенса угла наклона этой прямой можно найти концентрацию примеси в подложке. Точка пересечения графика с осью ординат соответствует Uпс - части порогового напряжения, обусловленной зарядом Qss. Вычислив Uпс можно найти концентрацию поверхностных состояний Nss. Uпс = - Qss/Cd = qUпсN/(ede0 )

В динамике надо ещё учитывать ёмкости затвор- исток и затвор - сток. Скалярный коэффициент А используется для моделирования параллельного включения нескольких транзисторов.

Структурно-физическая эквивалентная схема МOП транзистора

6. Характеристики МДП транзистора

Параметры прибора зависят от структуры канала - встроенный или индуцированный и от типа проводимости канала. Для ПТ со встроенным каналом напряжение на затворе относительно истока может быть обоих знаков, а для ПТ с индуцированным каналом - только одного знака. Выходные характеристики транзисторов с индуцированным и встроенным каналом представлены на рис. 3. Очень существенны передаточные характеристики - зависимости тока стока от напряжения затвор-исток (рис. 3,4). На рис. 4 приведена передаточная характеристика полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа (ПТИК) и на рис. 5 передаточная характеристика полевого транзистора со встроенным каналом p-типа (ПТ ВК).

Если к стоку приложено небольшое напряжение, то ток от истока к стоку течет через проводящий канал, который действует как сопротивление, и ток стока пропорционален напряжению сток-исток. Это линейная область работы прибора. Если напряжение на стоке увеличивать еще больше, то в конце концов достигается такое его значение, при котором глубина канала вблизи стока становится равной 0. Это соответствует отсечке, за которой ток стока испытывает насыщение и практически не меняет своей величины с ростом напряжения стока. Так как наибольший потенциал в канале наблюдается у стокового электрода, то перекрытие канала наступает со стороны стока. При дальнейшем повышении напряжения на стоке МОП транзистор переходит в состояние все более глубокого насыщения. Это приводит к увеличению области пространственного заряда, прилегающей к стоку, и к уменьшению длины канала. Область пространственного заряда может появиться и у истока, если подается обратное смещение на электроды исток-подложка.

Крутизна вольт-амперной характеристики МДП транзистора характеризует усилительные свойства S передаточной характеристики (рис. 3), которая выражает изменение тока от изменения входного напряжения.

.

В пологой области вольтамперной характеристики крутизна равна

.

Крутизна в пологой области вольтамперной этой области может быть увеличена одним из двух способов: либо уменьшением напряжения на затворе, либо изменением геометрии прибора - отношения ширины канала к его длине. Типичные значения величины крутизны для отдельных МДП маломощных полевых транзисторов лежат в пределах 0,5-12,0 мА/В.

Внутреннее или динамическое выходное сопротивление Ri определяется выражением:.

В пологой области характеристики для идеальных приборов Ri®¥, а в реальных приборах Ri=40-100 кОм; в крутой области

Ri = L2/[mCзк(UGS – UTO – UDS)]

Сопротивление затвора

Сопротивление затвора Rg является функцией напряжения на затворе UGS, напряжение на стоке Vc, порогового напряжения Vпор и имеет значение 1010 -1015 Ом.

Характеристики и параметры МДП транзисторов можно измеряют по точкам на стандартных измерительных приборах: Л2-31 - измерителях статистических параметров полевых транзисторов и Л2-32 - измерителях крутизны полевых транзисторов либо автоматически с использованием стандартного характериографа Л2-56 - измерителя характеристик полупроводниковых приборов.

7. Расчетная часть

Справочные данные:

Полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом n- типа КП305Е

Транзистор кремниевый диффузионно-планарный полевой с изолированным затвором и каналом n-типа.

Предназначен для применения в усилительных каскадах высоких и низких частот с высоким входным сопротивлением.

Выпускаются в металлостеклянном корпусе с гибкими выводами.

Масса транзистора не более 0,7 г.

Описание макета