Материал: Kont_v_Str-PP_ME_1

где ND – концентрация донорной примеси. Отметим, что в n-канальных при-

борах UG – отрицательно относительно истока, а в (5.1) и последующих выра-

жениях под UG будем понимать абсолютное значение напряжения на затворе.

Когда U D 0 обедненная область расширяется от W1 на истоковом конце затвора (рис. 5.3) до W2 на стоковом конце. Глубина обеднения определяется формулой [2]:

где U(x) – локальное значение потенциала в проводящем канале ПТШ на расстоянии x от стокового конца затвора.

Рис. 5.3. Принцип работы ПТШ: а – поперечное сечение канала; б – выходная ВАХ

транзистора

Представим (5.2) в безразмерном виде:

где A – полная глубина канала (рис. 5.3); U P – напряжение перекрытия, опре-

деляемое из условия смыкания обедненной области и подложки, т. е. W=A, а

именно, UP qNDA2 .

2 0

Увеличение напряжения между истоком и стоком приводит к возрастанию тока канала – линейная область вольт-амперной характеристики (ВАХ) (рис. 5.3, б область 1). Ток в этой области определяется выражением

56

( – подвижность свободных носителей заряда; L – длина затвора; Z – ширина структуры ПТШ).

При возрастании U D глубина обеднения под стоковым концом затвора становится равной A (Y2 1), ток достигает максимального значения – тока насыщения:

На ВАХ этому значению тока соответствует область насыщения (см. рис. 5.3, б, область 2). Напряжение, соответствующее началу области насыщения (UD sat ), определяется выражением: UD sat UP UBi UG . Дальнейшее увеличение напряжения на стоке практически не изменяет ток стока транзистора.

Важной характеристикой ПТШ является крутизна:

Канальные полевые транзисторы широко применяются в высокочастотных схемах в качестве усилителей. Характеристиками, определяющими работу ПТШ в высокочастотных схемах, являются:

– емкость перехода затвор–сток [3]:

57

– граничная частота:

f gm .

2 Ci

Задача 5.1. Определите глубину обеднения под затвором Шоттки в ПТШ на GaAs при условии, что контактная разность потенциалов 0,76 В, концентра-

ция донорной примеси ND = 1,81 1017 см–3, разность потенциалов между за-

твором и каналом принимает значения 1; 1,8; 2 В. Изобразите энергетическую диаграмму структуры, соответствующей линии аа' (см. рис. 5.2).

Задача 5.2. Определите напряжение перекрытия канала глубиной 0,1 мкм. Указание. Воспользуйтесь данными для полупроводниковой структуры

из задачи 5.1.

Задача 5.3. Рассчитайте уровень легирования канала ПТШ для создания n-канального ПТШ нормально закрытого типа, если A = 1 мкм, материал затвора – Al, полупроводник – GaAs.

Пояснение. Если напряжение отсечки U P отрицательно и при UG 0 че-

рез структуру протекает ток стока, то такой транзистор называется нормально открытым обедненного типа. При положительном U P и отсутствии тока стока при UG 0 – транзистор нормально закрытый обогащенного типа.

Задача 5.4. В условиях задачи 5.1 определите характер распределения электрического потенциала в подзатворной области ПТШ и постройте соответствующие графики.

Указание. Воспользуйтесь результатами решения задачи 2.3.

Задача 5.5. Определите зависимость U(y) в обедненном приповерхностном слое полупроводника n-типа, считая, что концентрация электронов описывается распределением Больцмана (направление оси y показано на рис. 5.2).

Указание. Воспользуйтесь уравнением Пуассона в виде

Задача 5.6. Насколько изменится скорость электронов в арсениде галлия при изменении напряженности поля: а) от 2·104 до 4·104 В/м; б) от 6·105 до

8·105 В/м?

Указание. Воспользуйтесь формулой для вычисления полескоростной характеристики арсенида галлия в виде [5]:

58

где S = 105 м/с; = 0,6 м2 / (В·с); Е0 = 4·105 В/м.

Задача 5.7. Решите предыдущую задачу для кремния, используя следующую аппроксимацию полескоростной характеристики [5]:

где S = 105 м/с; = 0,2 м2/(В с).

Задача 5.8. Качественно изобразите границу обедненной области в ПТШ при условии линейного изменения потенциала вдоль оси x в канале (направление оси x показано на рис. 5.2).

Задача 5.9. Постройте распределение потенциала U(y), напряженности поля E(y), концентрации свободных носителей заряда n(y) вдоль оси y, направленной от стокового конца затвора к подложке. Считать напряженность поля меньше критической.

Задача 5.10. Решите предыдущую задачу при условии, что ось y проходит через стоковый конец затвора. Сравните результаты данной задачи с результатами задачи 5.9. Воспользуйтесь результатами решения задачи 2.5.

Задача 5.11. Постройте распределение потенциала и изобразите энергетическую диаграмму вдоль направления в–в' (см. рис. 5.2). Рассмотрите два случая: а) напряжение на истоке соответствует линейному участку ВАХ; б) напряжение на стоке соответствует области насыщения ВАХ. Считать напряженность поля меньше критической.

Указание. Воспользуйтесь результатами решения задачи 2.1.

Задача 5.12. Проанализируйте работу ПТШ в режиме насыщения. Постройте график распределения напряженности электрического поля, скорости и концентрации свободных носителей заряда вдоль оси, направленной от истока к стоку, через токовый канал. Получите зависимость построенных характеристик от напряжения исток–сток при фиксированном напряжении затвор– сток. Покажите положение соответствующих точек на ВАХ.

59

Пояснение. Условия задачи иллюстрирует рис. 5.4, а. На рисунке представлено поперечное сечение ПТШ. Эпитаксиальный слой n-GaAs можно разделить на две области: область токового канала (I) и обедненную область под затвором с барьером Шоттки (II). Глубина обедненной области W определяется согласно выражению

Рис. 5.4. Полевой транзистор Шоттки: а – поперечное сечение канала при приложенном напряжении на сток; б – распределение электрического поля в канале; в – распределение скорости электронов;г – распределение концентрации электронов; д – вольтамперная характеристика; e – полескоростная характеристика GaAs

60