А.3 Моделі польових транзисторів

Польові транзистори - це напівпровідникові пристрої, у яких керування струмом, що протікає між двома електродами здійснюється за допомогою напруги, прикладеного до третього електрода.

Їхня робота заснована на переміщенні тільки основних носіїв заряду.

Керування струмом здійснюється за рахунок зміни питомої провідності і площі перетину напівпровідникового шару (каналу), через який проходить робочий струм за допомогою електричного поля. Електрод польового транзистора, через який витікають носії заряду з каналу, називається витік (В), електрод, через який в канал втікають носії називається стоком (С), а електрод, напруга на якому перекриває канал, називається затвором (З).

Щодо конструктивних особливостей польові транзистори поділяються на транзистори із керуючим p-n переходом (ПТКП) та транзистори з ізольованим затвором (структури метал-діелектрик - напівпровідник (МДН) - або метал-окисел-напівпровідник (МОН- транзистори).

В польовому транзисторі з керуючим p-n переходом затвор утворює p-n перехід з областю каналу. При подачі на перехід затвор-виток зворотної напруги відбувається звуження каналу, а отже, зміна струму каналу. Тому транзистор з керуючим p-n переходом працює із негативним зміщенням у випадку каналу n-типу і з позитивним зміщенням, якщо канал p-типу.

Модель ПТКП.Полярність джерел напруги в режимі із спільним витоком для ПТКП з n та p типами каналів, а також їхні вольт-амперні характеристики наведені на рис. А.4.

ПТКП з n-каналом

Рисунок А.4 - Схема включення ПТКП із спільним витоком з n і p –

типами каналів, їхні стокозатворні та стокові характеристики

На характеристиках чітко видно дві області роботи ПТКП:

Область I – область наростання струму стоку при збільшенні напруги (омічна область);

Область II - область активної роботи ПТКП на положистій ділянці стокової характеристики. При роботі в цій області канал відкритий і стокова напруга U_св перевищує по абсолютному значенню напругу перекриття каналу. Струм стоку практично мало залежить від напруги U_св.

Ще одна область - це область III - відсічки, де напруга на затворі по абсолютному значенню перевищує напругу відсічки U_{зв відс}, і струм стоку I_c= 0.

Всі моделі ПТКП, що використовуються в програмах АСхП, зображені у вигляді еквівалентної схеми (рис. А.5), в якій не враховуються об’ємні опори стоку та витоку, опору розтікання, а обернено-зміщений діод переходу затвор-витік часто представляється його бар'єрною ємністю (по ТВ - вхідна ємність).

Рисунок А.5 - Еквівалентна схема n-канального ПТКП

Існуючі моделі (наприклад, Ходжеса, Кармазінського, Хофстайна, Ільїна та ін.) відрізняються лише виразами, що апроксимують залежність J_c=f(U_св, U_зв). У МАЕС-П використовується модель Ходжеса.

Модель МДН транзисторів. В МДН (МОН) транзисторах з індуктованим каналом канал, що проводить, між витоком та стоком індуктується (наводиться) керуючою напругою затвору. В цих транзисторах при різниці потенціалів між витоком та затвором, що дорівнює нулю, електропровідність між витоком та стоком практично буде відсутня.

У МДН транзисторах із вмонтованим каналом цей канал створюється технологічно. Тому при U_зв=0 канал вже проводить струм. При цьому керування провідністю каналу можливо як позитивним, так і негативним зміщенням. Для його запирання необхідно позитивне зміщення при дірковій p-електропровідності каналу та негативне зміщення при електронній n-електропровідності.

В транзисторах з індуктованим каналом для утворення каналу n-типу слід подавати на затвор позитивне зміщення, а для наведення каналу p-типу - негативне зміщення.

Рисунок А.6 - Схеми включення та стокозатворні характеристики МДН транзисторів з вмонтованим n-каналом (а), вмонтованим p-ка-налом (б), індуктованим n-каналом (в) та з індуктованим p-каналом(г).

На стокових характеристиках МДН транзисторів (рис. А.7) так, як і у ПТКП, чітко видні три області роботи транзисторів: I – омічна область; II – активної роботи і III – відсічки. Моделі МДН-транзисторів (Ходжеса, Кармазінського, Хофстайна, Ільїна та ін.) враховують роботу транзистора в усіх цих областях. Вони засновані на зображенні транзистора у вигляді еквівалентної схеми (рис. А.8 а), де C_зс і C_зв - ємності затвор-сток та затвор-витік, R_c і R_в — об'ємні опори областей стоку і витоку, J_c — залежне джерело струму, що модулює статичні характеристики транзистора,

Рисунок А.7 - Стокова характеристика для МДН-транзисторів з

Рисунок А.8 - Еквівалентна схема МДН-транзистора з n-каналом: початкова а) і загальноприйнята б)

Д_с і Д_в — діоди, що модулюють p-n переходи сток - підложка, витік - підложка.

При аналізі електронних схем, як правило, не враховують опори Rзс, R_зв, R_с, R_в, а закриті діоди Д_с та Д_в представляються їхніми бар'єрними ємностями С_сп і С_вп. Тому еквівалентна схема, відповідна моделям МНД-транзистора, що використовується у більшості програм

схемотехнічного моделювання, має вигляд, зображений на рис. 3.8б. Різні моделі відрізняються тільки виглядом залежності J_c=f(U_св,U_зв).

На рис. А.8 б стрілками позначені позитивні напрямки струмів в еквівалентній схемі для n-канального транзистора. Для p-канальних транзисторів напрями струмів на рис. 3.8б слід змінити на протилежні.