Различают режимы работы транзистора – классы А, В, АВ и С. Класс А характеризуется тем, что при подаче входного сигнала рабочая точка не выходит за пределы тех участков динамической входной и нагрузочной характеристик транзистора, где существует пропорциональность между изменениями коллекторного и базового токов. В режиме малого входного сигнала рабочая точка обычно выбирается на середине начального прямолинейного участка динамической входной характеристики (точка А‘ на рис. а), где меньше ток покоя I_к.р.т. и выше к. п. д., в режиме большого входного сигнала – на середине восходящего прямолинейного участка (точка А на рис. а). При работе транзистора в классе А ток коллектора не прекращается (транзистор всегда открыт). Ток коллектора характеризуется углом отсечки Θ, который представляет собой произведение угловой частоты входного сигнала ω на время, в течение которого значение тока коллектора изменяется от максимального до минимального [2 c. 94]. Для класса А угол отсечки Θ = 180° (см. рис. а). В этом режиме нелинейные искажения минимальны, но кпд мал (η ≈ 20…30 %). Это вызвано тем, что в классе А ток покоя I_к.р.т. всегда больше амплитуды переменной составляющей тока коллектора. Класс А применяется в усилителях напряжения и в маломощных выходных каскадах, где важны малые нелинейные искажения, а к.п.д. не имеет существенного значения.

В режиме класса В напряжение смещения U_б0 между эмиттером и базой равно нулю. Для уменьшения нелинейных искажений рабочая точка выбирается в начале динамической входной характеристики (точка А на рис. б), когда ток I_б =0 (режим, очень близкий к классу В), а ток I_к = I′_к0 ≈ 0. При подаче переменного входного напряжения ток коллектора в классе В протекает в течение половины периода, т.е. транзистор работает с отсечкой тока (см. рис. б), и угол Θ = 90° [3 c. 54]. Это создает большие нелинейные искажения в схеме. Класс В применяется в двухтактных усилителях мощности, где удается снизить нелинейные искажения и в избирательных усилителях. К.п.д. в классе В много выше, чем в классе А, и достигает 70 %.

Класс АВ занимает промежуточное положение между классами А и В. Он тоже в основном применяется в двухтактных схемах. Угол отсечки может достигать в классе АВ 120…130°. Класс АВ более экономичен, чем класс А, и характеризуется меньшими нелинейными искажениями по сравнению с классом В [4 c. 55].

В режиме класса С рабочая точка выбирается в области отсечки и при отсутствии входного сигнала транзистор заперт смещением (U_б0 > 0) (точка А‘ на рис. б). Угол Θ < 90°. КПД в классе С выше, а нелинейные искажения больше, чем в классе В. Этот режим применяется в схемах избирательных усилителей и генераторов [5 c. 64].

Рис. Положение рабочей точки при различных режимах работы усилителя

Расчеты производились на сетках 36х12, 80х26, 126х42, что позволило определить влияние сгущения узлов сетки для более точного определения потенциала в близи точек особенности на стыке электрода и изолятора.

А                            В

Рисунок 1.1 Графики на сходимость (А – без учета особенности, В – с учетом особенности).

Таблица 1.. Данные замеров для параметрических исследований.

Результаты параметрических исследований при разных значениях заданного потенциала на электроде для концентрации и скорости приведены ниже. На рисунке 1.2 приведены изображения наглядно показывающие распределения концентрации в случае открытого транзистора (первый замер). Как видно из изображения, концентрация в начальном времени имеет большие значения, которые уменьшаются ближе к затвору и образуется возмущения (краевые эффекты) на краях стыка изолятора и электрода. В этом случае электроды свободно перемещаются вдоль расчетной области.

Рисунок 1.2. Концентрация электронов при первом замере (без особенностей).

На рисунке 1.3 представлено изображение, наглядно показывающее распределение концентрации в случае начала закрытия транзистора. Как видно из рисунка, поток частиц значительно уменьшается у правого края затвора на стыке электрод-изолятор и начинается процесс запирания транзистора. В этом случае также хорошо наблюдаются краевые эффекты.

Рисунок 1.3. Концентрация электронов при втором замере (без особенностей).

На рисунке 1.3 представлено изображение, наглядно показывающее распределение концентрации в случае окончательного закрытия транзистора.

Как видно из рисунка, концентрация электронов уменьшается до максимального минимума в области затвора. В данном случае краевые эффекты на стыке изолятора и электрода не столь явно выражены.

Рисунок 1.4. Концентрация электронов при третьем замере (без особенностей).

В процессе расчетов также были получены графические изображения векторных сил, действующих на электроны при различных задаваемых величинах потенциала на затворе и истоке (эмиттере). На рисунке показаны векторы сил при свободном перемещении частиц в результате первого замера. В данном случае наблюдается большие значение сил на левом крае затвора в стыке изолятор-электрод.

Рисунок 1.5 График векторов сил, действующих на электроны при первом замере (без особенностей)

На рисунке 1.6 показаны векторные силы, действующие на электроны в процессе запирания транзистора. В данном случае эффект возрастания сил наименее выражен.

Рисунок 1.6 График векторов сил, действующих на электроны при втором замере (без особенностей)

На рисунке 1.7 показаны векторные силы, действующие на электроны в результате закрытия транзистора.

Рисунок 1.7 График векторов сил, действующих на электроны при третьем замере (без особенностей)

Согласно выше указанным можно сделать вывод, что картина изменения концентрации заряженных частиц и векторных сил на прямую зависит от изменения потенциала на электродах.

На рисунках 1.8-1.10 показаны результаты расчетов потенциала электронов относительно длины расчетной области (вдоль проводника). Как можно увидеть, потенциал электронов постепенно снижается до области затвора в стыке изолятор-электрод, далее потенциал распространяется в области затвора более равномерно, а после наблюдается резкое снижение в стыке электрод-изолятор. Результаты в разрезе середины вдоль проводника более плавные, а в низу, ближе к нижней границе более заметны краевые эффекты.

Рисунок 1.8. Потенциал электронов при первом замере в середине и на нижней границе транзистора Шоттки (без особенностей).

Рисунок 1.9. Потенциал электронов при втором замере в середине и на нижней границе транзистора Шоттки (без особенностей).

Рисунок 1.10 Потенциал электронов при третьем замере в середине и на нижней границе транзистора Шоттки (без особенностей).

На рисунках 1.11-1.13 Представлены графические результаты скоростей распространения электронов при подаче различных значений потенциала. Как видно из рисунка 1.11 (в), скорость распространения электронов имеет скачки в области стыка изолятор-электрод и особенность краевых эффектов в стыке электрод-изолятор. Полученные эффекты будут рассмотрены более подробно при вычислениях с особенностями.

А В

Рисунок 1.11 Скорости распространения электронов при первом замере в транзисторе Шоттки в различных направлениях без особенностей (а – в направлении длины проводника, б-в направлении толщины проводника).

АВ

Рисунок 1.12 Скорости распространения электронов при втором замере в транзисторе Шоттки в различных направленияхбез особенностей (а – в направлении длины проводника, б-в направлении толщины проводника).

АВ

Рисунок 1.13 Скорости распространения электронов при третьем замере в транзисторе Шоттки в различных направлениях без особенностей (а – в направлении длины проводника, б-в направлении толщины проводника).

Данный результат приводит к выводу о влиянии величины потенциала затвора на характер прохождения электронов, в результат чем выше величина потенциала на затворе, тем выше вероятность запирания транзистора. Ниже представлены графики потенциала при различных замерах с учетом особенностей. Из графиков видно, что влияние потенциала в зоне затвора более сильно наблюдается при подаче сопоставимых значениях задаваемого потенциала на затворе и истоке (чем выше значение потенциала на затворе, тем выше вероятность запирания).

А    ВС

Рисунок 1.14. Потенциал электронов при втором замере в середине и на нижней границе транзистора Шоттки с особенностями (А-при первом замере, В-при втором замере, С-при третьем замере).

Из ниже указанных графиков (1.15,1.16) видны сильные скачки в области изолятор-электрод и электрод-изолятор. При сравнении этих результатов с результатами без особенностей, можно сказать, что в настоящем случае краевые эффекты наблюдаются более четко и нуждаются в дополнительных исследований

А  В С

Рисунок 1.15 Скорости распространения электронов в транзисторе Шоттки в направлении длины проводника при нижнем разрезе с особенностями (А-при первом замере, В-при втором замере, С-при третьем замере).

А В  С

Рисунок 1.16 Скорости распространения электронов в транзисторе Шоттки в направлении толщины проводника при нижнем разрезе с особенностями (А-при первом замере, В-при втором замере, замере, С-при третьем замере).

А В С

Рисунок 1.17 3D-изображения концентрации частиц в транзисторе Шоттки (А – открытый транзистор; В – закрывающийся транзистор; С – закрытый транзистор).

На рисунке 1.18 показаны графики зависимости массового секундного расхода потока частиц в зависимости от изменения величины потенциала на затворе. Как видно из графиков, в данном случае результаты с особенностью и без особенностью не сильно выражены и не имеют большого значение.

А   В

Рисунок 1.18 Графики массового секундного расхода потока частиц в транзисторе Шоттки  (А – при _Δt=20, В – при _Δt=40).

Заключение

Анализ распределения потенциала и заряда в области затвора и стока показал, что даже при низких потенциалах на затворе и стоке существует сильное поле вблизи стокового края затвора в области стыка электрода и изолятора. Для транзисторов с малыми геометрическими размерами традиционный подход приближения плавного канала, использующий уравнение Пуассона и условие непрерывности, становится непригодным.

В работе также проводились исследования на величину потенциала затвора, позволяющие определить его влияние на характер прохождения электронов. В результате, чем выше значение потенциала на затворе тем выше вероятность запирания транзистора.

Использование учета особенностей краевых эффектов показывает, что пропускная способность канала без особенностей значительно отличается от канала с особенностями. Рассмотрение канала без особенностей показывает запирание транзистора при меньших значениях изменения потенциала, однако рассмотрение с особенностью приводит к запиранию при больших изменениях значений потенциала.

Результаты исследований подтверждают значимость использование многомерного подхода к моделированию процессов в транзисторах. Показан нелинейный характер изменения проводимости канала в зависимости от приложенного напряжения на затворе, вызванный краевыми эффектами. Определены значения потенциалов запирания и влияние на величину пропускной способности канала длительности приложенного напряжения на затворе.

Показано, что для исследуемой модели транзистора определение с высокой точностью полей электрической напряженности в местах стыка электрода и изолятора большого значения не имеет, в связи с тем, что окончательное запирание канала происходит на центральной оси устройства и максимально удалено от мест особенности.