Сравнение формул (2.3) и (2.5) показывает, что для получения оптимального показателя качества требуются большая крутизна и малая паразитная емкость. Это сочетание и представляет ту проблему получения высокой частоты, о решении которой заявляли Тешнер и Зулиг.

Хотя желательно иметь большой показатель качества для всех мощных ПТ, но особенно это важно для приборов, работающих в высокочастотных коммутационных и усилительных схемах. В гл. 9 и 10 у нас будет возможность сравнить характеристики мощных ПТ, имеющих высокий показатель качества, и приборов с неоптимальными характеристиками.

2.4.1. Преимущества цилиндрических мощных полевых транзисторов

В ранних работах Тешнера и Зулига видна удивительная аналогия принципов разработки; это объясняется тем, что оба исследователя исходили из работы Вегенера, опубликовавшего в 1959 г. статью «Цилиндрический полевой транзистор». Вегенер постулировал, что насыщение тока в канале с цилиндрическим поперечным сечением происходит при меньшем напряжении отсечки и, что особенно важно, ток насыщения буквально на порядок величины превышает ток, с которым мы до этого привыкли иметь дело в обычных ПТ с управляющим р-п переходом. К этому выводу он пришел в результате решения уравнений Пуассона. Поскольку детальный анализ уравнений Пуассона выходит за рамки настоящей книги, мы вновь отсылаем читателя к списку литературы, указанному в конце данной книги. На рис. 2.5 показан элементарный цилиндрический полевой транзистор, предложенный Вегенером.

Канал

Исток о-

I \ \ I / I

Затвор

Затвор

Рис. 2.5. Элементарный цилиндрический ПТ с управляющим р-п переходом, предложенный Вегенером

Главное преимущество канала с таким цилиндрическим поперечным сечением можно понять, если сравнить сжатие канала со всех сторон к центру и сжатие канала между двумя плоскостями: первое происходит в цилиндрических ПТ, второе - в планарных ПТ, где канал представляет собой слой между этими плоскостями.

Эти первые исследователи исходили из того, что если бы ПТ имели равные поперечные размеры и изготавливались из одного и того же полупроводникового материала, то напряжение отсечки у цилиндрического ПТ было бы вдвое меньше, чем у планарного.

Насколько эффективно концепция цилиндриче1око.го ПТ способствовала проведению первых работ по мощным ПТ, можно понять, если сравнить вольт-амперные характеристики многоканального полевого транзистора Зулига и обычного планарного ПТ, приведенные на рис. 2.6. Если вспомнить, что крутизна (5) равна

\цилиндри-J ческий ПТ

Обычный

Триодная область Насыщение J /Тока стока

с нач---г----->1----

О (/ " и отс отс

Рис. 2.6. Сравнение крутизны характери стики цилиндрического и планарного ПТ (Воспроизводится из статьи Есаки, Гаи та «Некоторые структуры полевых тран зисторов». - ТИИЭР, 1965, т. 53, № 12 с. 2340-2341.)

Рис. 2.7. Уменьшение сопротивления

канала (R.,) при уменьшении напряжения отсечки и постоянном токе насыщения стока (/с нач)

отношению изменения тока стока к изменению входного напряжения на затворе (,А/с/А(7зи ). то сразу станет очевидным значительное увеличение крутизны при переходе от планарной конструкции к цилиндрической.

Хотя мы уже косвенно установили причину столь большого увеличения крутизны, необходимо прервать рассмотрение мощных ПТ, чтобы понять важность напряжения отсечки и оценить его влияние на крутизну.

2.4.1.1. Напряжение отсечки и его влияние на крутизну. Понятие напряжения отсечки всегда характеризует ПТ с встроенны.\т каналом (ПТ с индуцированным каналом характеризуется пороговым напряжением, о котором мы еще будем говорить в этой главе). Если подать положительное напряжение между стоком и истоком простого «-канального ПТ с управляющим р-п переходом (см. рис. 2.2) и медленно его повьгш1ать, то ток стока станет увеличиваться но вполне определенному закону, как это видно на рис. 2.7.

при дальнейшем повышении напряжения Vj обедненная область постепенно сжимает канал {сжатие канала двумя плоскостями), что ведет к постепенному насыщению тока стока. Напряжение иц, при котором обедненная область полностью перекрывает (запирает) канал, препятствуя тСхМ самым дальнейшему увеличению тока стока (ток стока насыщается), называется напряжением отсечки (f/oTc). Дальнейшее повышение U не вызывает заметного возрастания тока стока. Этот эффект хорошо виден на рис. 2.7: когда 17отс=/си происходит насыщение тока стока. Этот ток часто обозначают через /с нач.

Если мы посмотрим на рис. 2.7 и, в частности, на триодную или ненасыщенную область характеристики, то увидим, что с уменьшением f/oTc (при постоянном токс насыщения /с нач) одновременно снижается сопротивление канала. Доказав, что цилиндрический ПТ обладает вдвое меньшим напряжением отсечки по сравнению с аналогичным планарным, рассчитанным на такой же ток, Вегенер устранил последний барьер на пути к успешной разработке мощных ПТ.

Достаточно лишь элементарного знания закона Ома, чтобы понять, что основным недостатком планарного ПТ является наличие омического сопротивления канала. Этот параметр - причина ряда серьезных проблем, которые десятилетиями тормозили успешное развитие мощных ПТ. Для усилителя на мощном ПТ оптимальную мощность, отдаваемую в нагрузку, можно определить по закону Ома:

вых = с(П-СИо.к), (2.6)

где /с - ток стока; f/ - напряжение источника питания цепи стока; f/oTK - падение напряжения на открытом ПТ, обусловленное влиянием омического сопротивления канала.

Совершенно очевидно также, что ток, текущий через канал, выделяет тепло на его омическом сопротивлении. При постоянном значении этого тока повышение температуры ведет к тепловой неустойчивости, если не обеспечивается соответствующий отвод тепла . Обычно с ростом температуры рабочий ток стока уменьшается (эффект «самосохранения» или тепловой устойчивости, обсуждавшийся в разд. 1.2). При падении тока стока происходит уменьшение крутизны характеристики. Кроме того, с повышением омического сопротивления части канала, неперекрытой затвором, уменьшается коэффициент усиления, причем вследствие не только уменьшения крутизны в результате нагревания, но и вследствие того, что это сопротивление приводит к возникновению отри-

Отвод тепла является сложной проблемой и зависит в значительной степени от геометрии ПТ. Следует по возможности избегать планарной конструкции, так как полупроводниковые материалы обладают плохой теплопроводностью. Мощные транзисторы, как биполярные, так и полевые, изготавливают на более тонких полупроводниковых подложках; при этом принимаются специальные меры для снижения теплового сопротивления в месте крепления кристалла к корпусу. Более подробно этот вопрос Обсуждается в гл. 5.