Розрахунок вольт-амперних характеристик польового транзистора з ізольованим затвором

Структура частини МДН -транзистора, прийнята для розрахунку вихідних статичних характеристик має наступний вигляд

 

Рисунок 56 Спрощена модель польового транзистора з ізольованим затвором

 

В транзисторах з ізольованим затвором створюється декілька зарядів, обумовлених рухомими і нерухомими носіями заряду. Нерухомий заряд обумовлений іонізованими атомами на межі розподілу діелектрика і каналу. Рухомий заряд створюється носіями домішки і власною провідністю напівпровідника. Рухомим зарядом, створеним власною провідністю, при розрахунку можна знехтувати.

Струм через канал буде визначатися питомою провідністю і напруженістю електричного поля вздовж каналу. Питома провідність каналу залежить від кількості носіїв, які знаходяться в одиниці об’єму каналу, і ефективної рухливості носіїв в каналі. І вона буде рівна:

– питома провідність

– кількість дірок в квадраті

Тоді враховуючи це будемо мати де

– щільність рухливого заряду

– ефективна рухливість дірок в каналі

Для визначення залежності струму від його параметрів визначимо величину повного заряду електронів в каналі. Повний заряд складається із рухомого заряду, який створюється основними носіями, і нерухомого, створеного іонами. Тобто повний заряд буде рівний:

Знаючи величину заряду, можна визначити величину струму. Струм стоку Іс буде рівний:

де Ех – напруженість електричного поля

γ- питома провідність

b - ширина каналу

Визначимо межі інтегрування для каналу польового транзистора з ізольованим затвором

 

x → 0 до l

U → 0 до U_CB

Для знаходження рівняння крутої частини вольт-амперної характеристики знайдемо величину нерухомого заряду:

;

 

Крута частина вольт-амперної характеристики буде описуватися рівнянням:

 

Для пологої частини вольт-амперної характеристики напруга більше, ніж напруга насичення U_СВнас, і в першому наближенні можна вважати, що рухомий заряд в каналі не накопичується, тому що струм досягає насичення і всі рухомі носії заряду приймають участь у створенні струму. Тоді можна знайти значення напруги насичення:

Полога частина вольт-амперної характеристики:

Властивості і підсилюючі можливості цього транзистора можна охарактеризувати крутизною вольт-амперних характеристик на крутій і пологій ділянках.

Крута частина вольт-амперної характеристики буде характеризуватися крутизною:

Полога частина вольт-амперної характеристики:

Основною робочою ділянкою вольт-амперних характеристик є полога частина, тому при виготовленні польового транзистора вирішують питання збільшення крутизни, а це можливо за наступних умов.

Напівпровідник, з якого виготовляється транзистор, повинен мати носії з великою рухливістю, тому в більшості випадків у транзисторів використовують напівпровідник для каналу з електронною провідністю (типу n), тому що рухливість електронів більше рухливості дірок.

Крутизну збільшують за рахунок збільшення питомої ємності С_ЗК, а ця ємність визначається відносною діелектричною проникливістю діелектрика і його товщиною. Збільшення ємності між затвором і каналом С_ЗК кличе за собою негативні наслідки, тому що збільшуються величини паразитних ємностей між електродами, що погіршує частотні властивості транзистора.

Збільшують ширину і зменшують довжину каналу. Але в цьому випадку теж погіршуються частотні властивості транзистора, тому знаходять компромісне рішення.

 

ПРИЛАДИ З ЗАРЯДОВИМ ЗВ’ЯЗКОМ

 

Властивість накопичувати заряди в потенційних ямах широко використовується в приладах з зарядовим зв’язком, які представляють собою послідовно ввімкнені декілька каналів і затворів польового транзистора, у якого під затворами накопичується заряд. Ці прилади широко використовуються як елементи пам’яті в логічних пристроях, коли умовно наявність заряду приймають за логічну одиницю, а відсутність за логічний нуль, або навпаки.

Розглянемо принцип роботи такого приладу на регістрі зсуву.

 

Регістр зсуву

 

Принцип дії приладу з зарядовим зв’язком заснований на збереженні заряду в потенційних ямах, які створюються на поверхні напівпровідника під дією зовнішнього електричного поля і на переміщенні цього заряду по поверхні напівпровідника.

Регістр зсуву складається із трьох секцій.

Перша секція – вхідна, куди входить витік і створений під ним інверсний шар р- області та вхідний затвор, який виконує роль ключа для керування рухом дірок із р- області витоку в першу потенційну яму.

Друга секція – перенесення, складається із цілого ряду комірок з затворами, з’єднаних між собою в залежності від принципу діє логічного елемента. На затвори другої секції подаються напруги відповідно до процесу обробки інформації.

Третя секція – вихідна. Це p-n-перехід стоку, який зміщений в зворотному напрямі, і напруга на якому буде змінюватися при проходженні пакету носіїв заряду.

 

 

Рисунок 57 Структура ПЗЗ з осцилограмами напруг на затворах

 

Принцип дії приладу

 

При відсутності напруги стік-витік і при наявності напруги на затворах більше граничної, під затворами створюються потенційні ями, які по аналогії відповідають каналу польового транзистора з індукованим каналом. Ці потенційні ями будуть порожніми при відсутності напруги на вхідному затворі.

Для нормальної роботи регістра зсуву необхідно схемою керування відповідно до визначеної операції таких як: зсув записаної інформації на декілька розрядів, видача інформації послідовна чи паралельна та інші операції необхідно подавати керуючі імпульси. При цьому буде відбувається накопичення заряду під затворами на які подаються імпульси керування.

При наявності напруги стік-витік на вхідний затвор, який виконує функцію ключа, подається напруга більше граничної, щоб створився канал між р- областю витоку і першою потенційною ямою, яка створилася під першим затвором. На другий затвор подається напруга менше граничної і під нею відсутня потенційна яма. Під дією напруги між першим затвором і витоком дірки із першої області витоку перетікають по каналу в потенційну яму. При достатній тривалості керуючого імпульсу в потенційній ямі буде накопичуватися заряд.

На другому такті на вхідний затвор подається напруга менше граничної, і заряд під першим затвором не має можливості перетікати до наступної ями (записана логічна одиниця). Для переміщення цього заряду (зсув одиниці вправо на один розряд) на другий затвор необхідно подати напругу більше граничної. Дірки під дією цієї напруги переходять в другу потенційну яму.

Так буде відбуватися, поки накопичений заряд не підійде в останню перед стоком потенційну яму, і при наявності напруги на стокові в зовнішньому колі буде проходити струм (вихідний імпульс), який відповідає логічній одиниці.

Для нормальної роботи чітко визначається рівень напруги логічних нуля і одиниці. Прилад з зарядовим зв’язком характеризується нижньою і верхньою граними частотами, які характеризують з якою частотою може працювати прилад, чітко фіксуючи задані рівні нуля і одиниці. Нижня гранична частота визначається часом накопичення заряду в потенційній ямі за рахунок зворотного струму p-n-переходу, приблизно рівна десятки кГц. За цей час може відбутися накопичення заряду в потенційній ямі за рахунок струму зворотно ввімкненого p-n-переходу. Ця частота визначає нижню межу тактової частоти. Верхня гранична частота визначається швидкістю перетікання накопичених носіїв заряду із однієї потенційної ями в іншу при наявності відповідних напруг для створення рівня логічної одиниці, приблизно рівна десятки-сотні мГц.

 

ТИРИСТОРИ

 

Це напівпровідникові прилади, які мають три або більше випрямних p-n- переходів та три або більше не випрямних. В залежності від призначення і наявності керуючих електродів, тиристори діляться на дві групи:

не керовані (диністори) та керовані.

 

 

Рисунок 58 Структура диністора

 

Диністор складається із двох емітерних переходів, які вмикаються в прямому напрямі (перший і третій переходи), і одного колекторного (другий перехід). Відповідно, він має дві бази з різними типами провідності – n і р, між якими знаходиться колекторний перехід.