Определение электронных приборов. Классификация электронных приборов 8 глава

Рис. 4.10

По форме они напоминают аналогичные характеристики транзисторов с управляющим p-n-переходом.

При и тока в канале нет, и МДП-транзистор находится в состоянии равновесия. При малых напряжениях стока характеристики линейны, а канал представляет собой резистор, сопротивление которого уменьшается обратно пропорционально напряжению затвора. При определённом напряжении стока плотность заряда электронов в канале у стока становится очень малой – происходит перекрытие канала:

. (4.10)

Увеличение напряжения на затворе (по абсолютному значению) приведет к смещению выходных характеристик в область больших токов стока для транзисторов с индуцированным каналом (см. рис. 4.10, а). Полярность напряжения на затворе должна быть одинаковой с полярностью напряжения на стоке.

В МДП-транзисторах со встроенными каналами, как уже говорилось, проводящий канал может быть создан в результате диффузии примесей в приповерхностный слой подложки. Модуляция сопротивления канала может про-
исходить при изменении напряжения на затворе как положительной, так и от-
рицательной полярности, т.е. МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в режиме обогащения и обеднения канала носителями заряда, что отражается и на смещении выходных характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности (см. рис. 4.10, б).

Статические характеристики передачи МДП-транзисторов с индуцированным и встроенным каналами описываются квадратичной зависимостью. Квадратичность сток-затворных характеристик объясняется тем, что ток стока пропорционален плотности заряда электронов в канале и напряжению на неперекрытой части канала, равному .

. (4.11)

Рис. 4.11

В случае транзисторов с индуцированным каналом (рис. 4.11, а) при напряжении затвора, равном нулю, проводимость канала мала и ток стока равен обратному току p-n-перехода, т.е. пренебрежимо мал. При напряжении затвора, равном , происходит инверсия проводимости приповерхностного слоя и возникает проводящий канал. В выходной цепи появляется ток стока. С увеличением напряжения на стоке ток стока увеличивается незначительно.

У транзисторов со встроенным каналом (рис. 4.11, б) при нулевом напряжении затвора имеется определенная проводимость канала и соответствующий ток стока. В соответствии с принципом работы МДП-транзистора со встроенным каналом управление током стока возможно с помощью как положительного, так и отрицательного напряжения затвора. Сток-затворные характеристики выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки .

4.7. Влияние температуры на вольт-амперные характеристики полевых транзисторов

Основными причинами изменения тока стока полевых транзисторов являются температурные зависимости подвижности носителей и контактной разности потенциалов в транзисторах с управляющим переходом, а также пороговое напряжение в МДП-транзисторах. Подвижность носителей заряда в канале уменьшается с ростом температуры, что приводит к уменьшению тока стока, а пороговое напряжение, уменьшаясь с ростом температуры, приводит к увеличению тока стока. Кроме этого, уменьшается и контактная разность потенциалов, что приводит также к увеличению тока стока. Таким образом, эти факторы оказывают на ток стока противоположное действие и могут скомпенсировать друг друга. Изменение тока стока с изменением температуры можно охарактеризовать температурным коэффициентом тока:

. (4.12)

Рис. 4.12

Температурная зависимость передаточных характеристик показана на (рис. 4.12). Из характеристик видно, что в полевых транзисторах существует термостабильная точка, в которой ток стока не зависит от температуры. Величину тока стока в этой точке можно приближенно определить так:

. (4.13)

Ориентировочное положение термостабильной точки можно найти по формуле

. (4.14)

Отмеченное свойство является большим преимуществом полевых транзисторов по сравнению с биполярными и позволяет создавать целый ряд электронных устройств с повышенной температурной стабильностью.

4.8. Дифференциальные параметры полевых транзисторов

Ток стока и ток затвора в полевых транзисторах зависят от напряжений на затворе и на стоке:

; . (4.15)

Запишем выражения полных дифференциалов токов:

; (4.16)

. (4.17)

Частные производные, имеющие размерности проводимостей, принимают в качестве Y-параметров.

В режиме короткого замыкания по переменному току на входе и выходе их можно записать:

при − проводимость прямой передачи или крутизна сток-затворной характеристики.

Она характеризует управляющее действие затвора и численно равна величине изменения тока стока при изменении напряжения затвора на 1В.

Из выражения передаточной характеристики (4.9) получим

, (4.18)

т.е. крутизна обратно пропорциональна сопротивлению канала.

Учитывая, что , следует, что для получения высокой крутизны необходимо использовать короткий и широкий канал. При прочих равных условиях крутизна в n-полевых транзисторах выше, чем в p-канальных из-за большей подвижности электронов.

при − выходная проводимость транзистора. Вместо выходной проводимости на практике часто используется обратная величина , называемая дифференциальным (внутренним) сопротивлением транзистора. Наименьшее значение соответствует крутым участкам выходных характеристик. На пологих участках сопротивление возрастает, что обусловлено эффектом модуляции длины канала. Оно составляет десятки и сотни килоом.

при − входная проводимость, или обратная величина . Ток затвора – обратный ток, создаваемый неосновными носителями через p-n-переход, мал (порядка 10^-9 А), поэтому входное сопротивление очень высокое (порядка нескольких мегаом); мала также и входная емкость.

при − проводимость обратной передачи.

Так как , .

Для оценки усилительных свойств полевого транзистора вводится коэффициент усиления по напряжению, учитывающий относительное влияние напряжения стока и затвора на ток стока:

при . (4.19)

По найденным значениям и можно определить коэффициент усиления:

. (4.20)

Величина достигает нескольких сотен.

На рис. 4.13 показан пример определения дифференциальных параметров по выходным характеристикам.

В общем случае все Y-параметры являются комплексными.

На низких частотах, когда влиянием реактивных элементов можно пренебречь,
Y-параметры становятся вещественными величинами. Заменяя дифференциальные приращения их конечно разностными величинами, можно определить указанные параметры в заданной точке на характеристике:

; (4.21)

. (4.22)

4.9. Частотные свойства полевых транзисторов и эквивалентные схемы

Частотные свойства полевых транзисторов обусловлены в основном влиянием междуэлементарных емкостей и распределенных сопротивлений канала, истока и стока. К ним относятся:

− емкость затвор – исток, определяющая реактивную составляющую входного тока;

-емкость затвор – сток, создающая цепь обратной связи выходной и входной цепей, ограничивающая устойчивость усиления на высоких частотах;

, − емкость сток – исток или сток – подложка, обусловливающая реактивную составляющую выходного тока.

С учетом влияния этих элементов можно представить упрощенную эквивалентную схему полевого транзистора (рис. 4.14). Генератор тока отражает усилительные свойства транзистора. Внутреннее сопротивление характеризует воздействие стока на ток стока. Сопротивления истока r_и и стока r_с составляют доли ом или единицы ом и ими можно пренебречь.

Крутизна транзистора зависит от частоты входного сигнала, уменьшаясь с ростом частоты:

, (4.23)

где S₀-значение крутизны на низкой частоте.

При f=f_s крутизна . Частота f_s называется предельной частотой крутизны.

Внутреннее сопротивление ввиду того, что длина канала мала, можно считать независимым от частоты.

4.10. Работа полевого транзистора в режиме усиления

При использовании полевого транзистора в режиме усиления, он может быть включен по схеме с ОИ, ОС, ОЗ.

Рассмотрим работу усилительного каскада на полевом транзисторе в схеме с ОИ (рис. 4.15).

t

Рис. 4.15 Рис. 4.16

Так же как в усилителе, на БТ во входной цепи включается источник переменного сигнала . Положение рабочей точки А обеспечивается напряжением смещения. Для обеспечения смещения в цепь затвора включается сопротивление _. В цепь стока включается нагрузка . Построение нагрузочных характеристик и выбор рабочей точки аналогичны, как и в случае биполярного транзистора (рис. 4.16). Диаграммы, иллюстрирующие процесс усиления, приведены на
(рис. 4.17).

Когда , напряжение на стоке . При подаче на вход синусоидального сигнала напряжение на затворе будет . В результате будут изменяться ток стока и напря-жение на стоке .

Основные параметры режима усиления:

- рабочая крутизна:

; (4.24)

- коэффициент усиления по напряжению:

; (4.25)

- выходная мощность:

. (4.26)

Вычисление рабочих параметров с помощью нагрузочных характеристик иллюстрируется на рис. 4.17.

Определив амплитуды тока и напряжений, запишем:

. (4.27)

. (4.28)

. (4.29)

Рабочие параметры ПТ можно выразить через статические , , параметры. Продифференцируем выражение тока стока :

. (4.30)

; . Подставляя в выражение (4.30), получим:

, или

; .

Отсюда:

, (4.31)

, (4.32)

. (4.33)

Максимальная амплитуда напряжения затвора должна быть меньше напряжения отсечки с целью уменьшения искажений:

, тогда . (4.34)

Отсюда следует, что для получения высокой выходной мощности необходимо иметь транзистор с высокой крутизной и большим напряжением отсечки.

Полевые транзисторы широко используют и в импульсном (ключевом) режиме. Анализ показывает, что для повышения быстродействия ключа необходимо увеличивать удельную крутизну транзистора (за счет уменьшения длины канала), снижать пороговое напряжение и выходную емкость. В настоящее время наибольшее применение находят транзисторы с изолированным затвором, благодаря внедрению микроэлектроники. МДП-транзисторы широко используются в кремниевых интегральных схемах, особенно в сверхбольших интегральных схемах (СБИС), микропроцессорах, микроЭВМ, электронных калькуляторах, запоминающих устройствах большой информационной емкости, в электронных часах, а также в медицинской электронике и др.

Мощные МДП-транзисторы применяют в переключающих схемах. Транзисторы с управляющим переходом металл – полупроводник на GaAs используются для создания сверхскоростных цифровых интегральных схем и в
СВЧ-устройствах.

Транзисторы с управляющим переходом на кремнии используют в основном как низкочастотные дискретные приборы.

5. ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ

5.1. Устройство и принцип действия приборов с зарядовой связью

В настоящее время в МДП-технологии используются две разновидности активных приборов. К первой относятся различные типы МДП-транзисторов, рассмотренные в предыдущем разделе, а ко второй - приборы с зарядовой связью (ПЗС).

Приборы с зарядовой связью относятся к классу новых, весьма перспективных интегральных микросхем, реализуемых на основе структуры металл – диэлектрик – полупроводник. Принцип действия их основан на хранении заряда неосновных носителей в потенциальных ямах, возникающих вблизи поверхности полупроводника под действием внешнего электрического поля, и на перемещении этого заряда вдоль поверхности при сдвиге потенциальных ям. Основываясь на таком принципе переноса носителей заряда, можно осуществить преобразование, хранение и обработку информации, представленной плотностью заряда.

В современных интегральных микросхемах на приборах с зарядовой связью используется несколько типов создания потенциальных ям вблизи поверхности полупроводника. Однако наибольшее распространение получили ПЗС на основе МДП-структур.

Рис. 5.1

Одним из важнейших типов ПЗС является поверхностно-зарядовый транзистор, структура которого приведена на рис. 5.1. Она представляет собой кремниевую подложку n-типа, на которой создаются области, покрытые слоем SiO₂ толщиной 0,1-0,2 мкм. Над этими областями создаются металлические электроды.

Количество технологических операций, необходимых для изготовления ПЗС, вдвое меньше, чем для изготовления МДП-структур. Важная особенность ПЗС-структур состоит в том, что их можно изготавливать не только на основе кремния, но и на основе ряда других полупроводников, например арсенида галлия, имеющих высокую подвижность носителей заряда и большую ширину запрещенной зоны. Однако следует отметить, что для функционирования ПЗС плотность поверхностных состояний должна быть меньше примерно на два порядка, чем в МДП-структуре.

Рассмотрим принцип работы ПЗС. Для ПЗС характерно два режима работы: режим хранения и режим передачи информационного заряда. Если, используя соответствующий электрод, приложить к поверхности подложки электрическое поле с вектором напряженности, имеющем такое направление, при котором основные носители заряда отталкиваются, то под электродом будет формироваться обедненная область. Эта область представляет собой потенциальную яму для неосновных носителей заряда, которыми являются дырки. По мере накопления дырок в потенциальной яме возникает равновесный поверхностный слой, что и соответствует режиму хранения информационного заряда. Информационный заряд не может храниться в ПЗС в течение длительного времени вследствие термической генерации носителей, которые вызывают накопление паразитного заряда дырок в потенциальной яме. С помощью электродов истока и стока создаются обедненные поверхностные области. Третий электрод – затвор, частично перекрывает исток и сток. После приложения напряжения к истоку в транзисторе создается распределение зарядов, показанное на рис. 5.1. Под истоком возникает потенциальная яма, содержащая поверхностный заряд, причем дырки, попавшие в эту область под действием электрического поля, притягиваются к поверхности подложки и локализуются в узком инверсном слое. Под стоком возникает потенциальная яма, заполненная неосновными дырками, образующимися в результате термогенерации. Если используется дополнительный источник неосновных дырок, инжектирующий заряды в потенциальные ямы некоторым образом, и если заряд устанавливается до наступления термического равновесия, то потенциальные ямы могут хранить передаваемую информацию.

Если к истоку приложить более отрицательное напряжение, чем напряжение хранения, приложенное к другому электроду, то под первым электродом возникает более глубокая потенциальная яма, а в области, разделяющей потенциальные ямы, создаётся электрическое поле, параллельное поверхности подложки. Это приводит к процессу переноса дырок в более глубокую потенциальную яму, который осуществляется как за счёт дрейфа под действием поля, так и за счёт диффузии под действием градиента концентрации неосновных дырок.

Процесс переноса дырок и представляет собой второй характерный режим работы ПЗС, называемый режимом передачи информационного сигнала. Максимальное значение напряжённости электрического поля, возникающего под электродами вследствие неравномерного распределения неосновных дырок, определяется полуэмпирическим соотношением

, (5.1)

где p₀ – стандартная поверхностная концентрация дырок.

Процесс переноса дырок используется без передачи зарядов от одного электрода к другому, что позволяет реализовать специфические сдвиговые регистры, не требующие между собой проводниковых соединений между образующими их элементами и соединений с поверхностью подложки.

На основе ПЗС, таким образом, можно строить сдвиговые регистры подобно регистрам на триггерах и других элементах в виде однотактных, двухтактных и трёхтактных схем. Рассмотрим работу ПЗС на примере трёхтактного сдвигового регистра (рис. 5.2, а).

Рис. 5.2

Этот прибор состоит из трёх секций: входной, секции переноса и выходной секции.

Входная секция включает в себя исток с P⁺-областью под ним и входной затвор, выполняющий роль ключа для управления движением дырок из диффузионной P⁺-области истока в первую потенциальную яму.

Секция переноса состоит из ряда затворов, управляющих потенциалом на границе кремний – диоксид кремния. Эти затворы соединены между собой через два. Напряжения на затворах секции переноса имеют вид импульсов различной амплитуды, которые сменяют друг друга циклической перестановкой (рис 5.2, б - д). При этом потенциальные ямы перемещаются к выходу прибора, увлекая за собой пакеты носителей заряда – дырок.

Выходная секция включает в себя p-n- переход стока. Он смещён в обратном направлении и предназначен для экстракции дырок из подходящих к нему потенциальных ям.

Если к электроду 1 при наличии проводящего канала под входным затвором приложить отрицательное напряжение, превышающее по абсолютному значению пороговое , то под первым затвором образуется глубокая потенциальная яма, куда поступают неосновные носители, и где они хранятся. Для передачи зарядового пакета к соседнему электроду прикладывается большее отрицательное напряжение – напряжение записи, при этом напряжение на входном затворе снимается (исчезает проводящий канал). Напряжение записи создаёт более глубокую яму под этим электродом и образует продольное электрическое поле в области, разделяющей электроды.

После переноса зарядового пакета в потенциальную яму потенциал электрода снизится до напряжения хранения. При следующих тактах изменения напряжения на электродах в цепи переноса будет происходить дальнейшее продвижение зарядового пакета к выходной цепи. Если в потенциальной яме, подходящей к p-n- переходу стока, отсутствует информационный зарядовый пакет, изменение тока в зарядовой цепи происходить не будет. Использование в выходной цепи МДП-транзистора позволяет осуществить неразрушающее считывание зарядов пакета. Когда информационный зарядовый пакет переместится в потенциальную яму, на границу к p-n-переходу стока, дырки втягиваются в область стока. Это вызывает появление импульса тока или изменение напряжения на стоке. Для записи логического нуля на входной затвор не должно быть подано отрицательного напряжения. В этом случае не будет инжекции дырок из
P⁺-области истока в потенциальную яму под первым затвором и в ней может оказаться только относительно небольшой заряд дырки Q_д, связанный с неполным опустошением ямы на предыдущих тактах работы прибора.

5.2. Параметры приборов с зарядовой связью

ПЗС является типично динамическим устройством и имеет нижний и верхний предел тактовых частот импульсов напряжения, питающих секцию переноса.

Нижний предел тактовой частоты определяется токами, связанными с тепловой генерацией носителей и в принципе не отличается от обратного тока экстракции через p-n-переход. Заметное накопление дырок в пустых потенциальных ямах может произойти за время от сотых долей до единиц секунд. Таким образом, нижний предел тактовой частоты составляет обычно единицы - десятки килогерц.

Верхний предел тактовой частоты определяется временем перетекания заряда из одной потенциальной ямы в другую (порядка единиц наносекунд). Поэтому верхний предел тактовых частот определяется десятками мегагерц.

В диапазоне рабочих частот в ПЗС не происходит полной передачи информационного пакета из одной потенциальной ямы в другую, что связано с явлениями захвата носителей заряда поверхностными энергетическими уровнями, ловушками захвата. Поэтому для уменьшения этого влияния необходимо уменьшать плотность поверхностных состояний, использовать углубленный канал, что резко снижает потери на захват носителей. Для оценки рассматриваемого эффекта захвата носителей в ПЗС вводится параметр эффективности передачи заряда или коэффициент потерь (неэффективность передачи) . Коэффициент потерь составляет менее 10^-9-10^-5. Чтобы уменьшить потери информационного заряда, используют схемы регенерации, представляющие собой усилители. Сигнал с ПЗС усиливается в соответствии с формированием его уровней, а затем производится запись информации в цепочку ПЗС.

Кроме этих параметров, ПЗС характеризуются амплитудой рабочих напряжений и величиной рассеиваемой мощности. Управляющее напряжение лежит в пределах 10-20 В.

5.3. Применение ПЗС

В настоящее время выявились три основных направления в использовании ПЗС:

– цифровые устройства;

– аналогоцифровые устройства;

– оптоэлектронные приборы.

В цифровых устройствах их используют как регистры сдвига, логические схемы динамического типа, постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), обеспечивающие ёмкость хранения информации 10⁶-10⁷ бит на кристалле с частотой выдачи информации 1-10 МГц.

Аналого-цифровые устройства ПЗС используются для обработки сигналов в радиотехнических устройствах (линии задержки, фильтры, мультиплексоры). В линиях задержки входной аналоговый сигнал преобразуется в дискретные зарядовые пакеты, а затем через определённое время задержки поступают на вход ПЗС.

В оптоэлектронных ПЗС используется эффект чувствительности для создания одномерных и плоскостных приборов, таких, как усилители с плавающим затвором, фотоячейки, приёмники изображения для портативных телевизионных камер.

Отметим некоторые преимущества ПЗС перед существующими электронно-лучевыми приборами.

Необходимо отметить жёсткий растр. Если в трубках растр создаётся сканирующим лучом, и его геометрическое качество зависит от линейности напряжения развёрток, стабильности питающих напряжений, температурных эффектов и др., то в твёрдотельных приборах растр создаётся с высокой точностью в процессе изготовления структуры прибора, т.е. геометрические искажения изображения определяются только качеством оптики. С жёсткостью растра связано и отсутствие микрофонного эффекта и нечувствительность к магнитным полям.

Особенно четко эти преимущества проявляются при использовании ПЗС в профессиональных цветных камерах, а именно – совмещение растров датчиков в трёхматричных камерах ТВ.

Жёсткий растр и связанная с этим жёсткая привязка выходного сигнала к тактовой частоте упростили и конструкцию одноматричных цветных камер, в которых для получения информации в цвете используется нанесение непосредственно на фоточувствительную секцию специального фильтра – мозаичного или полосового так, что каждый элемент ПЗС передаёт сигнал только одного какого-то цвета, а полный цветной сигнал получается за счёт соответствующей обработки выходного сигнала ПЗС.