Модели полевых транзисторов

Перейдем к рассмотрению моделей полевых транзисторов, применяемых в при проектирования телекоммуникационных устройств.

В базе данных инструментальной среды проектирования AWR MWO имеются сведения о моделях следующих полевых транзисторов:

- с управляющим переходом JFET(junction field-effect transistor);

- на основе перехода металл-полупроводник (полевой транзистор с затвором на основе барьера Шотки) MESFET (metal semiconductor field-effect transistor);

- на основе перехода металл-оксид-полупроводник, МОП-транзистор MOSFET (metal-oxide semiconductor field effect transistor);

- с высокой подвижностью электронов HEMT (high electron mobility transistor);

- на гетероструктурах HFET (heterostructure field-effect transistor).

Приведем модели каждого из перечисленных выше полевых транзисторов.

JFET(junction field-effect transistor) - полевой транзистор с управляющим переходом является самым простым и дешевым прибором. Транзисторов JFET находит применение на частотах до нескольких сотен МГц. Подача смещения между затвором и стоком приводит к изменению размера области пространственного заряда перехода затвор-канал (управляющий p-n переход). При этом изменяется сечение проводящего канала для носителей заряда, соответственно, изменяется проводимость канала. На рис.1.25 приведена модель полевого транзистора технологии JFET

MESFET (metal semiconductor field-effect transistor) - полевой транзистор на основе перехода металл-полупроводник (полевой транзистор с затвором на основе барьера Шотки)

Инерционность процессов в затворе на один-два порядка меньше, чем у полевых транзисторов с p-n –переходами и МДП транзисторами (MOSFET ). Кроме того, технология изготовления барьера Шотки позволяет уменьшать межэлектродные расстояния вплоть до субмикронных размеров. Это, а также получение больших скоростей пролета носителей при относительно низкой напряженности поля в арсениде галлия по сравнению с кремнием позволяет существенно повысить граничную частоту усиления.

Рисунок 1.25 – Модель полевого транзистора

технологии JFET в инструментальной среде AWR MWO

Мощные полевые транзисторы с барьером Шотки превосходят биполярные транзисторы по уровню мощности и КПДна высоких частотах.

На рис.1.26 приведена модель полевого транзистора технологии MESFET.

MOSFET (metal-oxide semiconductor field effect transistor) - полевой транзистор на основе перехода металл-оксид-полупроводник, МОП-транзистор.

МОП структура, наиболее широко используемая технология производства транзисторов. Структура состоит из металла и полупроводника, разделенных слоем оксида SiO2. В общем случае структуру называют МДП (металл - диэлектрик - полупроводник). Транзисторы на основе МОП-структур, в отличие от биполярных, называются униполярными транзисторами, так как для их работы необходимо наличие носителей заряда только одного из двух типов: n-или p.

Вся современная цифровая техника основана на транзисторах, созданных по технологии МДП. Международный термин – MOSFET. Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения памяти, процессора, логики и т. п.

Рисунок 1.26 – Модель полевого транзистора технологии MESFET в инструментальной среде AWR MWO

Размеры современных транзисторов составляют от 130 до 45 нм. На одном чипе (обычно размером 1-2 см²) размещаются сотни миллионов МОП транзисторов. В ближайшие годы ожидается увеличение степени интеграции до миллиардов транзисторов на чипе. Уменьшение размеров МОП транзисторов приводит также к повышению быстродействия процессоров (тактовой частоты). Каждую секунду сегодня в мире изготавливается полмиллиарда МОП транзисторов.

МДП-транзисторы находят также применение в области телекоммуникаций [3] при построении автогенераторов и усилителей мощности.

На рис.1.27 приведена модель полевого транзистора технологии MOSFET.

Рисунок 1.27 – Модель полевого транзистора технологии MOSFET в инструментальной среде AWR MWO

HEMT (high electron mobility transistor) - транзистор с высокой подвижностью электронов (другие названия: транзистор на селективно легированной гетероструктуре или транзистор с двумерным электронным газом) относится к типу полевых (рис.1.28). Отличие от последних заключается в том, что проводящий канал в HEMT транзисторе целенаправленно создается нелегированным (в полевом транзисторе канал n- или p-типа) для увеличения подвижности носителей заряда в канале, и, следовательно, быстродействия прибора.

HFET (heterostructure field-effect transistor) - полевой транзистор на гетероструктурах.

Из рассмотренных выше полевых транзисторов технология HFET является в настоящее время наиболее перспективной по мощности, частотному диапазону, КПД и надежности.

Рисунок 1.28 – Модель полевого транзистора технологии HEMT в инструментальной среде AWR MWO

На сайте компании Excelics Semiconuctor [62] представлены технические характеристики высокоэффективных мощных арсенид галлиевых транзисторов на гетероструктурах (High Efficiency Heterojunction Power FETs). Модель HFET транзисторов в инструментальной среде AWR MWO имеет вид, представленной на рис.1.29.

SPICE–параметры, являющиеся составной частью математической модели транзистора в AWR MWO, определяются типом выбранного транзистора.

В инструментальной среде AWR MWO имеется библиотека SPICE-параметров для транзисторов JFET, MESFET, MOSFET, HEMT, HFET. Кроме того, в сети Internet существуют сайты производителей радиоэлектронных компонентов (Excelics Semiconuctor, NEC, Philips, Motorola и др.), содержащие SPICE-параметры полевых транзисторов. Если параметры выбранного транзистора отсутствуют в библиотеке AWR MWO, то их численные значения можно ввести, воспользовавшись специальным диалоговым окном (рис.1.30).

По существу, выбор транзистора, исходя из технических характеристик, автоматически определяет вид модели, которая наиболее адекватно описывает процессы, происходящие в нем. Каждая из данных моделей позволяет достаточно точно провести исследование динамических свойств полевого транзистора, учитывая при этом специфику его статических характеристик.