Мои Конспекты
Главная | Обратная связь


Автомобили
Астрономия
Биология
География
Дом и сад
Другие языки
Другое
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Металлургия
Механика
Образование
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Туризм
Физика
Философия
Финансы
Химия
Черчение
Экология
Экономика
Электроника

Теоретическая часть



 

Полевым транзистором называют полупроводниковый прибор, обладающий усилительными свойствами, которые обусловлены потоком основных носителей заряда, протекающим через проводящий канал и управляемым поперечным электрическим полем.

В отличие от биполярного транзистора действие полевого транзистора обусловлено носителями заряда одной полярности – либо только электронами в канале n-типа, либо только дырками в канале р-типа. Поэтому их называют униполярными.

Различают два основных типа полевых транзисторов: с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором (МДП).

Полевой транзистор содержит три полупроводниковые области одного и того же типа проводимости, называемые соответственно: истоком, каналом и стоком, а также управляющий электрод – затвор.

В большинстве структур канал транзистора представляет собой слаболегированный тонкий слой, расположенный либо на некотором расстоянии от поверхности параллельно ей. Таким образом, носители движутся вдоль поверхности. Обычно исток и сток – сильнолегированные области.

В полевых транзисторах с управляющим p – n переходом в качестве затвора используется область противоположного типа проводимости по отношению к каналу, образующая с ним p – n переход, который в рабочем режиме имеет обратное включение. Напряжение на затворе изменяет толщину обедненного слоя управляющего p – n-перехода и тем самым – толщину проводящей части канала, число носителей заряда в нем и, следовательно, ток в канале. Управляя напряжением на затворе можно выбирать нужный ток. Таким образом, принцип действия полевого транзистора с р-п переходом основан на изменении проводимости канала за счет изменения ширины области р-п перехода под действием поперечного электрического поля, которое создается напряжением затвор - исток.

Если в цепь затвор - исток последовательно с источником постоянного напряжения Е, включить источник усиливаемого сигнала, а в главную цепь между стоком и истоком последовательно с источником питания Ес – нагрузку Rн, то будет происходить процесс усиления сигнала. Слабый сигнал вызывает изменения поперечного электрического поля; оно пульсирует с частотой сигнала, что в свою очередь приводит к периодическим расширениям и сужениям канала. Это вызывает пульсации тока Ic и напряжения на нагрузке Rн. Переменная составляющая этого напряжения представляет собой усиленный сигнал на выходе, значительно больший по мощности, чем сигнал в цепи управления на входе.

Из принципа действия полевого транзистора следует, что, в отличие от биполярного транзистора, он управляется не током, а напряжением Uзи.

Поскольку это напряжение обратное, то в цепи затвора ток не протекает, входное сопротивление остается очень большим, на управление потоком носителей заряда, а значит, и выходным током Iс не затрачивается мощность. В этом преимущество поле­вого транзистора по сравнению с биполярным.

 
 

Такое же устройство и принцип действия имеют полевые тран­зисторы с р-п переходом и каналом р-типа; по сравнению с тран­зисторами с каналом n-типа они требуют противоположной по­лярности источников питания. Основные носители заряда в них — дырки.

а) б)

Полевые транзисторы n-канальные (а) и p-канальные (б) с управляющим p-n переходом.

 

Основные характеристики полевых транзисторов с р-п переходом — выходные (стоковые) и передаточные (стоко-затворные).

Стоковая характеристика отражает зависимость тока стока от напряжения сток — исток при постоянном напряжении за­твор — исток:

Ic = f(Uси) при Uзи = const.

Характеристики, снятые при разных значениях неизменной величины Uзи, составляют семейство статических стоковых ха­рактеристик. На рис. 1 а, приведено семейство характеристик для полевого транзистора с р-п переходом и каналом n-типа.

Рассмотрим стоковую характеристику, снятую при Uзи = 0, когда канал имеет максимальное исходное рабочее сечение. В ней, можно выделить три участка.

 

Рис. 1 Семейство стоковых характеристик (а), и стоко-затворная характеристика (6) полевого транзистора с управляю­щим р-n переходом и каналом п-типа

 

Начальный участок выходит из начала координат (при Uси = 0 ток Iс тоже равен нулю) и соответствует малым значениям напряжения Ucи, изменение которого почти не влияет на проводимость канала; канал полностью открыт. Поэтому ток Iс на этом участке растет прямо пропорционально напряжению Uси; характеристика идет круто вверх.

По мере дальнейшего увеличения Ucи начинает сказываться его влияние на проводимость канала. Причиной этого служит возрастание потенциала точек канала в направлении к стоку и, соответственно, рост обратного напряжения на р-п переходе, которое при Uзи = 0, у стокового конца равно величине Uси. По мере увеличения Uси происходит сужение канала, уменьшается его проводимость и замедляется рост тока Iс. Это соответ­ствует криволинейной переходной области характеристики.

Дальнейшее увеличение Uси практически не вызывает роста тока, так как непосредственное влияние Uси на величину тока компенсируется одновременным повышением сопротивления ка­нала из-за его сужения. Максимальное сужение канала называют перекрытием канала. Этот режим называют режимом насы­щения. Ему соответствует пологий, почти горизонтальный, учас­ток характеристики. Напряжение, при котором начинается режим насыщения, называют напряжением насыщения Uси наc, а ток при этом — током насыщения Iс нас. Участок характеристики, соответ­ствующий режиму насыщения, используется в усилителях как рабочий.

При дальнейшем увеличении Uси, когда оно достигает опре­деленного значения, ток резко возрастает; это соответствует лавинному пробою р-п перехода вблизи стока, где канал имеет наименьшее сечение, а обратное напряжение на р-п переходе — наибольшую величину. Пробой транзистора недопустим, поэтому в рабочем режиме повышение Uси ограничивается максимально допустимым значением, указываемым в справочниках.

Характеристики, снимаемые при значениях Uзи ¹ 0, распола­гаются ниже рассмотренной характеристики при Uзи = 0, причем тем ниже, чем больше по абсолютной величине напряжение затвор — исток. С увеличением напряжения Uзи, при котором снимается стоковая характеристика, исходное сечение канала становится меньше, его сопротивление — больше, менее круто идет начальный участок характеристики, а также при меньшем напряжении Uси и токе Iс наступает режим насыщения. Пробой транзистора в этом случае наступает при меньшем напряжении Uси.

Стоко-затворная характеристика — это зависимость тока сто­ка от напряжения затвор — исток при неизменной величине на­пряжения сток—исток (рис. 1, б):

Ic = f(Uзи) при Uси = const.

Эта зависимость характеризует управляющее действие вход­ного напряжения на величину выходного тока.

При данном постоянном значении Uси, взятом в рабочем ре­жиме, т. е. на участке насыщения, и при Uзи = 0 точка характе­ристики лежит на оси тока и соответствует величине, равной току насыщения Iс нас. С увеличением напряжения Uзи по абсо­лютной величине проводимость канала уменьшается, что приводит к уменьшению тока. Увеличение напряжения Uзи вызывает уменьшение сечения проводящего канала до тех пор, пока он не оказывается перекрытым; ток через канал прекращается, транзистор закрывается, так как сток и исток изолированы друг от друга. Напряжение затвор — исток, при котором ток через канал прекращается, называют напряжением отсечки Uзиотс.

На рис. 1,6 приведена одна стоко-затворная характери­стика, поскольку изменение Uси в режиме насыщения очень мало влияет на ток Iс и характеристики, снятые при разных значениях неизменной величины Ucи, располагаются очень близко друг к другу.

Между напряжением насыщения и напряжением отсечки су­ществует зависимость:

Uси нас = Uзиотс – Uзи. Отсюда Uзи = 0 Uси нас = Uзиотс.

Параметры полевых транзисторов с р-п переходом

Основные параметры полевого транзистора следующие: кру­тизна стоко-затворной характеристики, коэффициент усиления, внутреннее сопротивление, входное сопротивление, ток и напря­жение насыщения при нулевом напряжении на затворе, напря­жение отсечки, а также параметры предельных режимов: мак­симально допустимый ток стока Iсмакc при Uзи == 0, максимально допустимое напряжение сток—исток Uсимакс, максимально до­пустимое напряжение затвор—исток Uзимакс, максимально до­пустимая рассеиваемая мощность Рмакс, диапазон рабочей темпе­ратуры.

Статическая крутизна характеристики S показывает влияние напряжения затвора на выходной ток транзистора и определя­ется как отношение приращения тока стока к вызвавшему его малому приращению напряжения затвор — исток при постоянном напряжении сток — исток:

S == DIc/DUзи при Uси == const

 

Крутизна определяет наклон стоко-затворной характеристики; по величине крутизны оценивают управляющее действие затвора. Численное значение крутизны можно найти по стоко-затворной характеристике, взяв для данной точки малое приращение напря­жения DUзи и соответствующее ему приращение тока DIс (см. рис. 1,6). Наибольшее значение имеет крутизна харак­теристики в точке на оси тока при

Uзи == 0. С увеличением Uзи крутизна уменьшается. Примерная величина этого параметра S=0,1—8 мА/В.

Внутреннее (дифференциальное) сопротивление Ri показы­вает влияние напряжения сток — исток на выходной ток тран­зистора. Оно определяется по наклону стоковой характеристики на участке насыщения как отношение приращения напряжения сток — исток к вызываемому им малому приращению тока стока при постоянном напряжении затвор—исток (см. рис. 1, а):

 

Ri = DUси/DIc при Uзи = const.

 

Чем больше Ri, тем более полого идет характеристика в об­ласти насыщения. Внутреннее сопротивление полевых транзисто­ров составляет десятки и сотни килоом и более. Оно определяет выходное сопротивление Rвых.

Входное сопротивление Rвх полевого транзистора очень ве­лико; оно определяется обратным сопротивлением р-п перехода и составляет 108—109 Ом. Большое входное сопротивление явля­ется преимуществом полевых транзисторов перед биполярными. Преимуществом является также малый собственный шум.

Усилительные свойства полевых транзисторов характеризуют­ся статическим коэффициентом усиления напряжения и, который может быть найден как произведение крутизны на внутреннее сопротивление: m = SRi.

Коэффициент усиления показывает, во сколько раз изменение напряжения затвор — исток сильнее влияет на ток стока, чем такое же изменение напряжения сток — исток. Его можно опре­делить как отношение приращения напряжения сток — исток к приращению напряжения затвор — исток при неизменном токе:

m = DUси/Uзи при Iс = const

 

МДП транзисторы

Металл-Диэлектрик-Полупроводник /МДП/. В качестве диэлектрической прослойки между металлом и полупроводником часто используют слой оксида (или диэлектрика), например диоксид кремния. Такие структуры носят название МОП-структур. Металлический электрод обычно наносят на диэлектрик вакуумным распылением. Этот электрод называется затвором.

Значение тока насыщения зависит от напряжения на затворе: чем выше, тем шире канал и тем больше ток насыщения. Это типично транзисторный эффект - напряжением на затворе (во входной цепи) можно управлять током стока (током в выходной цепи). Характерной особенностью МДП-транзисторов является то, что его входом служит конденсатор, образованный металлическим затвором, изолированным от полупроводника. В рассматриваемом транзисторе используется эффект поля, поэтому такие транзисторы называются ПОЛЕВЫМИ. В отличии от транзисторов типа p-n-p или n-p-n, в которых происходит инжекция неосновных носителей тока в базовую область, в полевых транзисторах ток переносится только основными носителями. Поэтому такие транзисторы называются также УНИПОЛЯРНЫМИ.

Канал в них сохраняется даже при подаче на затвор некоторого отрицательного смещения. В отличие от них в транзисторах, изготовленных на n-под-

ложке, в которой для образования инверсионного слоя требуется слишком большой заряд оксида, канал возникает только при подаче на затвор напряжения, превышающего некоторое пороговое напряжение. По знаку это смещение на затворе должно быть отрицательным для транзисторов с n-подложкой и положительным в случае р-подложки.

Входное сопротивление полевых транзисторов на низких частотах является емкостным. Входная емкость образуется затвором и неперекрытой частью канала со стороны истока. При достаточно большом напряжении на стоке может также возникнуть обычный пробой стокового p-n-перехода.


 
 

МДП-транзисторы со встроенным (а) и индуцированным (б) каналом.


 

 

Рис. 2 - Семейство стоковых характеристик (а) и стоко-затворная характеристика (б) МДП-транзистора со встроенным кана­лом n-типа


 

Рис. 3 Семейство стоковых характеристик (а) и стоко-затворная характеристика (б) МДП-транзистора с индуцированным кана­лом n-типа