Учёт влияния на ВАХ паразитных сопротивлений.

 

Напомним, что

                                                                                (16)

 

 

На графике:

1 – реальная ВАХ

2 – ВАХ идеального БТ

 

                                                                                          (17)

 

Входные характеристики транзистора сдвигаются вправо, что приводит к тому, что для получения одного и того же тока надо приложить большее напряжение.

 

Влияние на ВАХ эффекта Эрли.

 

В отличие от паразитного сопротивления, эффект Эрли проявляется на выходных характеристиках транзистора.

 

 

(на графике пунктиром нарисованы идеальные ВАХ, а сплошными линиями – реальные ВАХ)

 

Можно показать, что реальные характеристики, если их продлить до пересечения с осью приложенного напряжения, сходятся примерно в одной точке, называемой напряжением (потенциалом) Эрли .

 

Из физики работы транзистора можно показать, что зависимость  от  имеет вид:

                                                                                    (18)

 

Далее, выведем зависимости , ,  от  для случая .

 - время пролёта носителя через базу;

 - коэффициент усиления транзистора в прямом направлении;

 - ток насыщения.

 

,

где  - коэффициент диффузии электронов через базу .

 

; .

 

                                                                                      (19)

                                                                       (20)

 

 

                                                                        (21)

 

Каждый в отдельности параметр (19)-(21) не ухудшается, а даже улучшается. Однако, все эти параметры становятся зависимыми от режима на коллекторном переходе (), а любое изменение параметра негативно сказывается на стабильности работы.

 

Описание БТ в динамическом режиме.

 

В динамическом режиме надо дополнительно учитывать влияние ёмкостей -переходов транзистора.

 

 

В любом транзисторе имеется два физических механизма задержки передачи сигнала:

1. Время зарядки.

Токи через -переходы не появляются до тех пор, пока не зарядятся ёмкости этих -переходов (из физики известно, что напряжение на ёмкости не может возрастать скачками).

2. Время  пролёта носителей через базу.

 

В соответствии с этими двумя механизмами, в БТ различают два типа ёмкостей.

 

Барьерные ёмкости – аналоги плоских конденсаторов с толщиной .

 

                                                                                         (22)

 и  - коэффициенты резкости -переходов.

 - внутренний потенциальный барьер -перехода.

 

При  начинает течь ток;

 

При -переход считается надёжно открытым.

 

Для любого -перехода есть предельное напряжение, которое ещё можно подавать при прямом смещении. Больше – нельзя, т.к. -переход вырождается и становится сопротивлением.  при прямом смещении и для кремния . При обратном смещении возникает лавинный пробой.

 

,

,

где  - время, за которое заряд, инжектированный эмиттером доходит до коллектора,  - наоборот (от коллектора до эмиттера).

 

 

 

                                              (23)

                            (24)

 

 

Полевые транзисторы.

 

МОП-транзисторы.

 

-канальный с индуцированным каналом.
-канальный со встроенным каналом.
-канальный с индуцированным каналом.
-канальный со встроенным каналом.

 

Транзисторы со встроенным каналом называются транзисторами обеднённого типа, а транзисторы с индуцированным каналом называются транзисторами обогащённого типа.

 

Рассмотрим, далее, более подробно -канальный транзистор с индуцированным каналом.

 

 

 - удельная ёмкость МОП-структуры под электродом затвора.

 

 

ВАХ МОПТа.

 

 

В МОПТ имеется один ток – ток стока, идущий по каналу. В затворе тока нет, т.к. канал от контакта отделяет диэлектрик.

 

Входная характеристика.

 

 

Будем полагать, что все потенциалы отсчитываются от истока.

 

 - напряжение, при котором появляется ток.

 

Выходные характеристики.

 

 

 

На выходных ВАХ МОПТ можно выделить два характерных участка:

1. Участок крутых характеристик (ток стока растёт достаточно быстро). По аналогии с вакуумными электронными лампами, этот участок назван триодным участком.

2. Участок пологих характеристик (ток стока практически не растёт). По аналогии с ВЭЛ, участок называется пентодным.

 

Из теории МОПТ можно показать, что выражения для ВАХ МОПТ имеют следующий вид.

 

1. В триодной области ( ).

 

Напряжение, соответствующее границе двух участков на каждой из ветвей называется напряжением отсечки. Для каждой ветви  имеет своё значение.

 

 и  - это разные вещи!

 

,                                          (25)

где  - удельная крутизна МОПТ, .

, где

 - удельная ёмкость МОП-структуры под электродом затвора.

,

 - коэффициент влияния подложки.

 

Из (25) видно, что  - это парабола.

Примечание. Очевидно, что в отличие от БТ ток стока в МОПТ растёт медленнее, т.к. зависимость тока от приложенного напряжения в МОПТ – квадратичная, а в БТ – экпоненциальная.

 

Типичные токи в МОПТ – микроамперы, в БТ – миллиамперы. Т.о. токи в МОПТ примерно в 100 раз меньше чем в БТ. Отсюда вывод: в переносной аппаратуре (на автономных источниках питания) используют МОПТ, т.к. МОПТ потребляет меньшие токи. Однако, БТ быстрее МОПТ за счёт уменьшения времени зарядки ёмкостей, т.к. ток через ёмкость до полной её зарядки не течёт.

 

 

 

Доопределим понятие  из следующего выражения:

Дифференцируем (25):

                                                                                         (26)

 

Физическая суть коэффициента влияния подложки заключается в том, что  учитывает, что нижний электрод МОП-структуры – это полупроводник, а не металл. В результате ёмкость такой МОП-структуры отличается от ёмкости идеального конденсаторы в худшую сторону.

 

2. Пентодная область ( ).

 

                                                                        (27)

 

Видно, что на участке пологих характеристик ток  не зависит от  и ветви ВАХ идут горизонтально. ВАХ на этом участке зависит только от потенциала , приложенного к затвору.

 

Примечание. Коэффициент влияния подложки будем вычислять по формуле

,

где  - уровень Ферми

 

В цифровых схемах на МДПТ уровень логической единицы  может меняться в пределах от  до .

 

ПТШ на арсениде галлия.

 

Особенности арсенида галлия для построения сверхбыстродействующих цифровых устройств:

1. Более высокая (в 6-7 раз) подвижность электронов, чем у кремния.

2. Ширина запрещённой зоны больше, чем у кремния, что увеличивает устойчивость к помехам и диапазон рабочих температур.

3. Удельное сопротивление больше, чем у кремния, что позволяет использовать  как диэлектрик, т.е. не требует изоляции.

 

К недостаткам  относятся ядовитость, большие механическая хрупкость и сложность получения, чем у кремния.