СПОСОБ ВКЛЮЧЕНИЯ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С УПРАВЛЯЮЩИМ P-N-ПЕРЕХОДОМ Российский патент 1995 года по МПК H01L29/80 

Изобретение относится к способам включения полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом (ПТУП) и может использоваться как в аналоговых, так и цифровых интегральных схемах, преимущественно в каскадах с крайне малым входным током.

Известен способ включения ПТУП в дифференциальном усилителе, при котором на сток и исток подают соответствующее напряжение смещения, а на затвор подают входной сигнал и токовое смещение, причем величина токового смещения равна току затвора ПТУП, а направление противоположно току затвора [1]
Данное техническое решение позволяет уменьшить входной ток ПТУП путем его компенсации.

Недостатком такого способа включения ПТУП является высокий уровень шумов и сложность практической реализации токового смещения затвора, равного по величине и противоположного по направлению току затвора ПТУП, требующая использования сложных технологических процессов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ включения ПТУП, использованный в дифференциальном усилителе, при котором на сток и исток подают соответствующее смещение, на затвор подают входной сигнал, причем величины напряжения смещения, подаваемого на сток и исток, выбирают такими, чтобы ПТУП работал в линейной области вольтамперных характеристик (ВАХ) [2] т.е. выполнялось условие
U_ис < U_отс, где U_ис напряжение между истоком и стоком;
U_отс напряжение отсечки.

Данное техническое решение обладает наилучшей совокупностью параметров: малыми шумами и входным током.

Недостатком технического решения [2] является относительно высокий уровень входных токов при предельно низком уровне шумов.

Целью изобретения является снижение входного тока ПТУП при сохранении низкого уровня шумов.

Цель достигается тем, что в способе включения ПТУП, включающем подачу на затвор управляющего сигнала, приложение к стоку и истоку напряжений смещения, обеспечивающих работу полевого транзистора в линейной области вольт-амперной характеристики при смещении перехода за- твор-сток в обратном направлении, величину напряжения смещения, прилагаемую к истоку, выбирают из условия обеспечения смещения перехода затвор-исток в прямом направлении при удовлетворении соотношения абсолютных значении падений напряжения на переходах затвор-сток и затвор-исток условию
ΔU_зи= mϕ_тln +
(1) где ΔU_зи, Δ U_зс падение напряжения на переходе затвор-исток, затвор-сток по абсолютной величине, В;
U_отс напряжение отсечки, В;
m безразмерный фактор, характеризующий отклонение ВАХ от идеальной, 0,5 ≅ m ≅2,5;
ϕ_т- температурный потенциал, В;
ϕ_т= где К постоянная Больцмана, Дж/K;
T температура в градусах, К;
q заряд электрона, Кулон;
K 1,38×10^-23
q 1,6 x 10^-19 K.

Сущность изобретения состоит в том, что при данной схеме включения ПТУП выполнением соотношения формулы изобретения обеспечивается равенство по абсолютной величине токов затвор-исток и затвор-сток, а встречным направлением их взаимная компенсация и суммарный ток затвора ПТУП равен нулю.

На фиг.1 представлена схема включения ПТУП в соответствии с данным способом; на фиг.2 типовая структура n-канального транзистора ПТУП.

Способ включения предусматривает задание в ПТУП 1 истокового и стокового смещения через соответствующие источники 2 и 3 питания и соединение затвора ПТУП с источником 4 управляющего напряжения U_з.

Рассмотрим работу ПТУП, если используется n-канальный транзистор, сформированный на полупроводниковой подложке р-типа 5, с эпитаксиальным слоем n-типа 6, в котором при помощи разделительных областей р⁺-типа 7 сформирован электрически изолированный карман, а также сформированы области истока 8 и стока 9 n⁺-типа проводимости, затвора 10 р-типа проводимости. В диэлектрическом окисле 11, покрывающем поверхность прибора, вскрыты окна и сформированы выводы 12 ко всем указанным областям.

При подаче на ПТУП напряжения исток-сток таким образом, что потенциал стока более высокий, чем истока, по каналу ПТУП будет протекать ток по направлению от стока к истоку, который вызовет падение напряжения на канале. Считаем, что потенциал канала в точке с координатой Х 0 равен потенциалу затвора, тогда часть канала между 0≅ Х≅ l₂ (II) смещена напряжением затвор-сток в обратном направлении, а часть канала между -l₁ ≅X < 0 (I) в прямом направлении напряжением затвор-исток.

Прикладывая к переходу затвор-сток обратное напряжение ΔU_зс, а к переходу затвор-исток прямое напряжение Δ U_зи, абсолютные значения которых соответствуют соотношению (1), можно добиться того, чтобы обратный ток через переход затвор-сток был одинаков по величине с прямым током через переход затвор-исток. Но так как оба тока имеют противоположное направление, то ток затвора равен нулю.

Входящий в соотношение (1) m-фактор характеризует отклонение ВАХ от идеальной, связан с наличием центров захвата, примесей, дислокаций и других нарушений, а также зависит от чистоты поверхности и степени ее защищенности от внешних дестабилизирующих факторов. Обычно 1 < m < 2,4.

В данном решении осуществляется смещение части p-n-перехода канал-затвор в прямом, а другой части в обратном направлении; выбор смещения затвор-исток, затвор-сток в соответствии с конкретным соотношением.

Выполнение первого условия является необходимым для работы прибора, но недостаточным, так как оно гарантирует только протекание противоположных по направлению токов затвор-исток, затвор-сток через вывод затвора ПТУП.

Выполнение второго условия обеспечивает определенное соотношение между токами затвор-исток и затвор-сток, но не обуславливает их разное направление.

Только совместное выполнение обоих условий обуславливает протекание через вывод затвора равных по величине и противоположных по направлению токов, вызывающих полную компенсацию входного тока.

Пример реализации предлагаемого способа.

Предлагаемый способ включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом использован во входном дифференциальном каскаде (ДК) электротермического усилителя. В качестве ПТУП использовались специально изготовленные для этих целей опытные образцы, в конструкции которых были приняты меры по снижению токов утечки, обусловленных вторичными эффектами: были сведены до минимума токи утечки за счет несовершенства пассирующего покрытия поверхности кристалла, по корпусу транзистора и т.д. Были использованы в качестве ПТУП также серийно выпускаемые транзисторы типа 2ПС10ЧА.

Для обеспечения возможности регулирования величины напряжения на истоке и стоке ПТУП в цепь истока включали регулируемый источник тока, а в цепь стока регулируемый стабилизатор напряжения. Дискретность регулировки составляла 1 мВ.

При использовании предлагаемого способа включения ПТУП в схеме ДК электрического усилителя ток затвора составляет менее 1 ˙10^-14 А, а при традиционном включении ПТУП 1 ˙10^-11-1˙10^-12 А.

Диапазон величин напряжений ΔU_зи, для которых ток затвора составляет менее 1 ˙10^-14 А, находится в пределах 30 мВ, при фиксированном значении напряжения затвор-сток, что обеспечивает его значение (менее 1 ˙10^-14 А) во всем рабочем диапазоне температур эксплуатации ПТУП (+5)-(+40)^оС.

Диапазон напряжений затвор-исток, при которых ток затвора составляет менее 1˙10^-15, находится в пределах 2-3 мВ. За счет согласованности полевых транзисторов ДК по стабильности напряжений затвор-исток можно обеспечить стабильность тока затвора на уровне 1˙10^-15 в нормальных условиях эксплуатации (Т 20 ±5^оС).

В таблице приведены экспериментальные и расчетные данные, определенные из соотношения (1) при m 1. Данные приведены для тока затвора ПТУП 1 ˙10^-15 А.

Для серийно выпускаемых ПТУП типа 2ПС104А отклонение расчетных и теоретических данных более заметны с уменьшением тока затвора. Это объясняется влиянием дополнительных утечек по корпусу транзистора, "маскирующих" истинное значение тока затвора.

Таким образом данный способ включения ПТУП по сравнению с традиционным позволяет уменьшить ток затвора в реальных устройствах в 10²-10³ раз.

Использование: в микроэлектронике. Сущность изобретения: способ включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом заключается в том, что на затвор транзистора подают входной сигнал, на сток и исток подают напряжение смещения и обеспечивают работу транзистора в линейной области вольт-амперных характеристик. Величины напряжений смешения стока и истока выбирают такими, чтобы переход затвор-исток был смещен в прямом направлении, а переход затвор-сток в обратном. Выполняя определенное соотношение величин напряжений, обеспечивают равенство по абсолютной величине токов затвор-исток и затвор-сток и их взаимную компенсацию. 2 ил. 1 табл.

СПОСОБ ВКЛЮЧЕНИЯ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С УПРАВЛЯЮЩИМ P-N-ПЕРЕХОДОМ, включающий подачу на затвор управляющего сигнала, приложение к стоку и истоку напряжений смещения, обеспечивающих работу полевого транзистора в линейной области вольтамперной характеристики при смещении перехода затвор-сток в обратном направлении, отличающийся тем, что величину напряжения смещения, прилагаемую к истоку, выбирают из условия обеспечения смещения перехода затвор-исток в прямом направлении при удовлетворении соотношения абсолютных значений падений напряжения на переходах затвор-сток и затвор-исток условию

где ΔU_зи, ΔU_зс падение напряжения на переходах затвор-исток, затвор-сток по абсолютной величине, В;
U_отс напряжение отсечки, В;
m безразмерный фактор, характеризующий отклонение вольтамперных характеристик от идеальной, 0,5 ≅ m ≅ 2,5;
ϕ_т температурный потенциал, В.