Шум полевых транзисторов с /-переходом и полевых транзисторов с МОП-структурой

5.1. Введение

Источники шума в полевых транзисторах с р-я-переходом и полевых транзисторах с МОП-структурой весьма схожи, за исключением l/f-шума, который почти полностью отсутствует в первых, но доминирует на низких частотах во вторых. Подобное поведение приводит к обоснованному мнению, что 1 -шум в данном случае связан с поверхностными эффектами.

Важнейшим механизмом возникновения шума в полевых транзисторах (ПТ) являются тепловые флуктуации, которые имеют место в популяции носителей в канале транзистора. Подобные флуктуации проводимости приводят к возникновению теплового шума токов стока и затвора. Другим существенным источником шума является генерация носителей в обедненной области канал - затвор; в ПТ с р-я-переходом механизм подобного же типа приводит к появлению дробового шума в токе утечки через затвор. Другие источники шума в ПТ, включая флуктуации в концентрации носителей в канале, связанные с рекомбинационно-генерационными процессами через ХШР-центры, локализованные в канале, или за счет частично ионизованных доноров (канала я-типа), или акцепторов (канала р-типа), как правило, несущественны.

5.2. Рабочие характеристики полевых транзисторов с р - «-переходом

За исключением случая противоположной полярности, р- и я-канальные ПТ с р-п-переходом действуют почти одинаковым образом Чтобы избежать излишнего дублирования, в дальнейшем мы рассмотрим работу транзисторов только первого типа.

Поперечное сечение р-канального ПТ представлено на рис. 5.1. Выводы на каждом из концов р-области являются истоком и стоком; они обычно присоединены к областям сильнолегированного полупроводникового материала р-типа. Ток Id че-

рез ПТ протекает через эти два вывода, как показано на рис. 5.1, а третий вывод (затвор) присоединен к слоям п-типа, образующим двойной слой в материале р-типа.

ПТ с р-я-переходом работает при обратном смещении на .р-я-переходах. Так как п-области гораздо сильнее легированы по сравнению с р-областями, пространственный заряд областей переходов почти полностью находится внутри р-области, как это показано штриховкой на рисунке. При подаче на сток и исток разности потенциалов обратное поле смещения в пределах .р-п-переходов меняется вдоль координаты х, соответствующей

О 7

Рис. 5.1. Поперечное сечение р-канальиого полевого транзистора с р-п-переходом (области объемного заряда заштрихованы).

основному направлению в приборе, и, следовательно, толщина областей пространственного заряда также зависит от х. Так как концентрация носителей в области пространственного заряда мала, ток Id течет по каналу, т. е. в материале р-типа, причем границы этого канала формируются границами областей пространственного заряда. Следует отметить, что ток, протекающий в приборе, состоит почти исключительно из основных носителей (дырок в случае ПТ с р-каналом), факт, который дал возможность Шокли назвать такой прибор униполярным в отличие от точечных транзисторов и транзисторов с р-п-переходом, которые в этом смысле являются биполярными [52].

Шокли первоначально дал расчет характеристик ПТ с р-п-переходом для случая малых сигналов, анализируя геометрию проводящего канала. Гров [12] обобщил анализ Шокли, и его работа дала возможность получить рабочие характеристики таких ПТ. Ниже мы кратко обсудим некоторые из аспектов функционирования таких ПТ, но с точки зрения их влияния на шумовые свойства этих приборов.

Допустим, что потенциал в точке х в канале описывается функцией ф(х), тогда падение потенциала на переходах в этой

точке описывается функцией"

V{x) = VsVa-{x), (5.1)

где Vb (которое приблизительно равняется 1 В для кремния) - напряжение, обусловленное наличием перехода, а FgO - обратное напряжение на клемме затвора. Решая уравнение Пуассона для резко асимметричного перехода, можно получить зависимость потенциала V(x) от ширины областей пространственного заряда

= 1-да (5-2)

где q - заряд электрона; Na-плотность акцепторов в канале /7-типа; бг - диэлектрическая постоянная и 8о - проницаемость свободного пространства. Если в любой точке х ширина канала равняется нулю, т. е. 6 = 0, говорят, что канал «смыкается». Этот процесс является нормальным при работе ПТ с р-п-переходом. Если считать, что Ь(х)=0 в уравнении (5.2), можно определить соответствующее напряжение смыкания

28,.Ео

И, следовательно, ширину канала, которая используется в уравнении (5.2), можно выразить в виде

b{x) = a{\-[V{x)/Vr], (5.4)

Потенциал V(x) растет от истока к стоку, область же смыкания канала, если таковая существует, как правило, находится ближе к стоку с протяженностью небольшой, но в то же время и не столь незначительной по сравнению с полной длиной канала. Основная часть падения напряжения в таком случае происходит в области смыкания, и тогда ток через прибор почти не зависит от напряжения стока. В тех случаях, когда подобные условия выполняются, говорят, что ПТ действует в области насыщения.

Ток, текущий по каналу, не зависит от х, и его можно определить следующим соотношением:

I2b[x)wa, (5.5)

где а - проводимость канала, а w - ширина ПТ, т. е. размер, перпендикулярный плоскости рис. 5.1. Если провести интегри-

В уравнении (5.1) косвенно предполагается, что ц)(х) измеряется относительно того же уровня, что и потенциалы на выводах триода.