Устройство полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом показано на рис. 4.6. Он представляет собой монокристалл полупроводника; обычно кремния, где создана электропроводность какого-либо типа, в рассматриваемом случае p -типа. В нем созданы две области с электропроводностью противоположного типа (в нашем случае n -типа), которые соединены между собой тонким приповерхностным слоем этого же типа проводимости. От этих двух зон сформированы электрические выводы, которые называют истоком и стоком. На поверхности канала имеется слой диэлектрика (обычно диоксида кремния ) толщиной порядка , а на нем методом напыления наносится тонкая металлическая пленка, от которой также делается электрический вывод – затвор. Иногда от основания (называемого подложкой (П)) также делается вывод, который накоротко соединяют с истоком.

Рис. 4.6. Структура полевого транзистора с изолированным затвором со встроенным каналом n -типа

Если в отсутствии напряжения на затворе приложить между истоком и стоком напряжение любой полярности, то через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов. Через подложку ток не потечет, так как один из p-n -переходов будет находится под действием обратного напряжения.

При подаче на затвор отрицательного напряжения относительно истока, а следовательно и кристалла, в канале возникает поперечное электрическое поле, которое будет выталкивать электроны из области канала в основание. Канал обедняется основными носителями – электронами, его сопротивление увеличивается, и ток стока уменьшается. Чем больше отрицательное напряжение на затворе, тем меньше этот ток. Такой режим называется режимом обеднения .

При подаче на затвор положительного напряжения, относительно истока, направление поперечного электрического поля изменится на противоположное, и оно будет, наоборот, притягивать электроны из областей истока и стока, а также из кристалла полупроводника. Проводимость канала увеличивается, и ток стока возрастает. Такой режим называется режимом обогащения .

Рассмотренный транзистор, таким образом, может работать как в режиме обеднения, так и режиме обогащения токопроводящего канала, что иллюстрируют его выходные характеристики (рис. 4.7, а) и характеристика управления (рис. 4.7, б).

Выходные характеристики МДП-транзистора подобны выходным характеристикам полевого транзистора с управляющим p-n -переходом. Это объясняется тем, что при увеличении напряжения от нуля, сначала действует закон Ома и ток растет практически прямо пропорционально напряжению, а затем при некотором напряжении канал начинает сужаться, в большей мере возле стока, т. к. на p-n -переходе между каналом и кристаллом увеличивается обратное напряжение, область этого перехода, обедненная носителями, расширяется, и сопротивление канала увеличивается. В результате этого ток стока испытывает два взаимно противоположных процесса и остается практически постоянным до такого напряжения при котором наступает электрический пробой.

Рис. 4.7. Статические характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n -типа

Если кристалл полупроводника полевого транзистора имеет электропроводность n -типа, токопроводящий канал должен быть p -типа. При этом полярность напряжений необходимо изменить на противоположную.

Полевые транзисторы со встроенным каналом на электрических схемах изображают условными графическими обозначениями, приведенными на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Условные графические обозначения МДП-транзистора со встроенным каналом n -типа (а) и p -типа (б)

Устройство такого транзистора показано на рис 4.9. От предыдущего транзистора он отличается тем, что у него нет встроенного канала между областями истока и стока. При отсутствии напряжения на затворе ток между истоком и стоком не потечет ни при какой полярности напряжения, так как один из p-n -переходов будет обязательно заперт.

Если подать на затвор напряжение положительной полярности относительно истока, то под действием возникающего поперечного электрического поля электроны из областей истока и стока, а также из областей кристалла, будут перемещаться в приповерхностную область по направлению к затвору. Когда напряжение на затворе превысит некоторое пороговое значение, то в приповерхностном слое концентрация электронов повысится настолько, что превысит концентрацию дырок в этой области и здесь произойдет инверсия типа электропроводности, т. е. образуется тонкий канал n -типа и в цепи стока появится ток. Чем больше положительное напряжение на затворе, тем больше проводимость канала и больше ток стока.

Таким образом, такой транзистор может работать только в режиме обогащения. Вид его выходных характеристик и характеристики управления показан на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом n -типа

Если кристалл полупроводника имеет электроприводность n -типа, то области истока и стока должны быть p -типа. Такого же типа проводимости будет индуцироваться и канал, если на затвор подавать отрицательное напряжение относительно истока.

Графическое изображение полевых транзисторов с изолированным затвором показано на рис 4.11.

Рис. 4.11. Условные графические обозначения МДП-транзистора индуцированным каналом n -типа (а) и p -типа (б)

В последнее время МДП-транзисторы всё чаще обозначают термином, заимствованным из зарубежной литературы, – MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ).

1. Полевой транзистор с изолированным затвором это полупроводниковый прибор, в котором управляющий электрод отделен от токопроводящего канала слоем диэлектрика.
2. В отличие от полевого транзистора с управляющим p n-переходом входное сопротивление полевого транзистора с изолированным затвором остается очень большим при любой полярности поданного на вход напряжения.
3. Полевые транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения канала свободными носителями заряда.
4. Полевые транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения.
5. Основными достоинствами полевого транзистора являются его большое сопротивление по постоянному току и высокая технологичность. Последнее обусловливает широкое применение полевых транзисторов при разработке микросхем.

МДП-транзисторы и биполярные транзисторы выполнят одинаковые функции: работают в схеме, или в качестве линейного усилителя, или в качестве ключа. В табл. 4.1 приведено краткое обещающее сравнение транзисторов этих двух типов.

Таблица 4.1

Свойства биполярных и МДП-транзисторов

В настоящее время полевые транзисторы вытесняют биполярные в ряде применений. Это связано с тем, что, во-первых, управляющая цепь полевых транзисторов потребляет ничтожную энергию, т. к. входное сопротивление этих приборов очень велико. Как правило, усиление мощности и тока в МДП-транзисторах много больше, чем в биполярных. Во-вторых, вследствие того, что управляющая цепь изолирована от выходной цепи, значительно повышаются надежность работы и помехоустойчивость схем на МДП-транзисторах. В-третьих, МДП-транзисторы имеют низкий уровень собственных шумов, что связано с отсутствием инжекции носителей заряда. В-четвертых, полевые транзисторы обладают более высоким быстродействием, т. к. в них нет инерционных процессов накопления и рассасывания носителей заряда. В результате мощные МДП-транзисторы все больше вытесняют биполярные транзисторы там, где требуется высокое быстродействие и повышенная надежность работы.

Однако МДП-транзисторы имеют и недостатки. Во-первых, вследствие высокого сопротивления канала в открытом состоянии МДП-транзисторы имеют большее падение напряжения, чем падение напряжения на насыщенном биполярном транзисторе. Во-вторых, МДП-транзисторы имеют существенно меньшее значение предельной температуры структуры, равное 150°C (для биполярных транзисторов 200°C).

Подключение p-области транзистора к истоку создает еще один дополнительный элемент - обратновключенный диод. Поэтому МДП-транзистор проектируют таким образом, что бы данный диод соответствовал аналогичным показателям МДП-транзистора и имел малое время восстановления запирающих свойств.

5.1 Теоретические сведения

5.1.1 Типы полевых транзисторов, принцип действия, область применения

Полевые транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, в которых используется движение основных носителей заряда под воздействием продольного электрического поля через канал , электропроводностью которого можно управлять с помощью поперечного электрического поля. Область, из которой носители заряда выходят (истекают) в канал, называется истоком , а область, в которую они входят (стекают) – стоком . Напряжение, изменяющее электропроводность канала, прикладывается между управляющим электродом - затвором и истоком.

Структуры полевых транзисторов очень разнообразны. В большинстве из них канал представляет собой слаболегированный тонкий слой, расположенный либо непосредственно у поверхности полупроводникового кристалла, либо на некотором расстоянии от поверхности параллельно ей. Таким образом носители движутся вдоль поверхности. Исток и сток обычно сильнолегированные области.

Существуют три типа полевых транзисторов, различающихся физической структурой и способом управления проводимостью канала. В полевых транзисторах с изолированным затвором между металлическим затвором и каналом расположен слой диэлектрика так, что образуется структура металл – диэлектрик – полупроводник (МДП). По этой причине такие транзисторы называют также МДП-транзисторами . Поперечное электрическое поле, проникая через тонкий слой диэлектрика, управляет концентрацией носителей заряда в канале. В зависимости от способа изменения типа электропроводности на поверхности кристалла различают МДП-транзисторы с индуцированным и встроенным каналами. В транзисторах, изготовленных на основе кремния, в качестве диэлектрика обычно используется диоксид кремния SiO 2 , поэтому их обычно называют МОП-транзисторами .

В полевых транзисторах с управляющим переходом металл – полупроводник металлический электрод затвора образует с приповерхностным слоем канала выпрямляющий контакт, на который в рабочем режиме подается обратное напряжение. Оно изменяет толщину обедненного слоя контакта и тем самым управляет толщиной проводящей части канала, количеством носителей заряда в канале и током через него. 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.

Полевые транзисторы различают также по типу проводимости канала: с каналом p - или n -типа.

Характерным для всех полевых транзисторов является очень малый ток в цепи затвора, так как затвор либо изолирован, либо образует с каналом управляющий переход, включаемый в обратном направлении. Так как затвор в электрических схемах обычно является входным электродом, то полевой транзистор обладает высоким входным сопротивлением на постоянном токе (более 10 8 ÷ 10 10 Ом). В этом заключается важнейшее отличие полевых транзисторов от биполярных: во входной цепи последних (обычно базовой) протекает значительный ток при прямом напряжении на переходе эмиттер-база. Поэтому входное сопротивление биполярных транзисторов весьма мало (десятки – сотни Ом в схемах с общей базой и общим эмиттером).

В связи с указанным различием входных сопротивлений иногда говорят, что полевой транзистор – это прибор, управляемый напряжением (электрическим полем), а биполярный – прибор, управляемый током. В приборах, управляемых напряжением, напряжение на входном электроде прибора из-за высокого входного сопротивления R вх практически не зависит от параметров самого прибора и определяется ЭДС генератора входного сигнала, если R вх >> R ген , где R ген – внутреннее сопротивление генератора. В приборах, управляемых током, входной ток из-за малого входного сопротивления прибора слабо зависит от параметров прибора и определяется током генератора входного сигнала (при R вх << R ген ).

В настоящее время наибольшее применение находят транзисторы с изолированным затвором, прежде всего благодаря внедрению микроэлектроники. МОП-транзисторы широко используются в кремниевых сверхбольших интегральных схемах (СБИС): микропроцессорах, микроЭВМ, запоминающих устройствах большой информационной емкости, устройствах медицинской электроники и др. Мощные МОП-транзисторы применяются в переключающих схемах.

Транзисторы с управляющим переходом металл – полупроводник на арсениде галлия используются для создания сверхскоростных цифровых интегральных микросхем и в СВЧ-устройствах. Транзисторы с управляющим p-n переходом на кремнии используются в основном как низкочастотные дискретные приборы.

5.1.2 Полевой транзистор с управляющим p-n -переходом

5.1.2.1 Устройство и принцип действия

Полевые транзисторы с управляющим p-n -переходом могут быть изготовлены на основе кристалла полупроводника n - или p -типа.

Упрощенная структура кристалла полевого транзистора с управляющим p-n - переходом, изготовленного на основе полупроводника n-типа, показана на рисунке 5.1. Транзистор состоит из области n-типа и двух областей p -типа. Области p -типа электрически соединяются вместе и образуют затвор.

Рисунок 5.1 – структура полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

На границах раздела полупроводников n- и p- типа образуются обедненные слои (или области пространственного заряда (ОПЗ), поскольку в них присутствует нескомпенсированный заряд ионов примесей), обладающие высоким сопротивлением. Канал представляет собой часть полупроводниковой области n -типа, заключенную между p-n -переходами. Если к каналу подсоединить внешний источник постоянного напряжения, в канале создается продольное электрическое поле, под действием которого электроны в канале перемещаются в сторону положительного полюса источника.

Движение основных носителей заряда в канале за счет напряжения на стоке относительно истока U СИ обусловливает прохождение тока в канале и в цепи стока I С .

На затвор относительно истока подается напряжение U ЗИ , смещающее p-n переходы затвор – канал в обратном направлении. При увеличении напряжения источника U ЗИ обратное напряжение на p-n -переходах увеличивается, запирающие слои расширяются, уменьшая сечение канала. При этом электропроводность канала и проходящий через него ток уменьшаются. Таким образом, изменяя напряжение на затворе, можно управлять током, проходящим через канал полевого транзистора. При некотором напряжении на затворе может произойти смыкание областей объемного заряда, т. е. канал перекрывается. Напряжение на затворе (при U ЗИ = 0), при котором канал перекрывается, называется напряжением отсечки и обозначается U ЗИ отс .

эффективное управление сечением канала происходит в том случае, если запирающий слой p-n перехода располагается в основном в полупроводнике n -типа. Это достигается выбором концентрации доноров и акцепторов таким образом, чтобы выполнялось условие N А >> N Д . На высокую концентрацию акцепторов указывает знак «+» в обозначении p-области (p + ).

Когда U СИ не равно 0, в канале протекает ток стока I С . Если выбрать сечение канала на расстоянии x от истока, то падение напряжения на этом участке U(x ) будет пропорционально сопротивлению участка канала и току I С . В сечении x напряжение на управляющем p-n -переходе складывается из напряжений U ЗИ и U(x ) .

Напряжение U(x ) при изменении x от 0 до l (l – длина канала) изменяется от 0 до U СИ . По этой причине ширина запирающего слоя увеличивается, а сечение канала уменьшается при приближении к стоку (рисунок 5.1).

Таким образом, ширина канала, определяющая его сопротивление, и ток стока I С зависят от напряжений U ЗИ и U СИ . если начиная c некоторой точки x сумма напряжений U ЗИ и U(x ) будет равна, а затем превысит напряжение U ЗИ отс , произойдет перекрытие канала. В действительности полного перекрытия канала путем увеличения напряжения U СИ получить нельзя, поскольку само перекрытие является следствием прохождения тока стока. В результате автоматически устанавливается некоторая малая ширина канала.

На рисунке 5.2 показано условное графические обозначения полевого транзистора с управляющим p-n -переходом и схема включения с общим истоком.

а) б)

в)

Рисунок 5.2 –Условные графические обозначения полевого транзистора с управляющим p-n- переходом (а – с каналом n -типа, б – с каналом p -типа) и схема включения с общим истоком (в)

5.1.2.2 Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n -переходом

Статические выходные (стоковые) характеристики. Семейство стоковых характеристик полевого транзистора, выражающих зависимость I С = f (U СИ) при U ЗИ = const, изображено на рисунке 5.3. Рассмотрим стоковую характеристику, снятую при U ЗИ = 0.

Если бы сопротивление канала не зависело от проходящего через него тока стока I С , ток I С был бы связан с напряжением U СИ линейной зависимостью. Но ток I С создает на сопротивлении канала падение напряжения U(x ) , увеличивающее области объемного заряда переходов. Вследствие этого увеличение напряжения U СИ сопровождается уменьшением площади сечения канала и увеличением его сопротивления, что приводит к замедлению роста тока I С . При некотором напряжении на стоке, обозначаемом U СИ нас и называемом напряжением насыщения канал в области стока перекрывается. это происходит при |U СИ нас | = |U ЗИ от с |. Ток стока, при котором перекрывается канал, называют начальным и обозначают I С нач . Если к затвору полевого транзистора приложить напряжение U ЗИ , смещающее p-n -переход в обратном направлении, то перекрытие канала наступит при меньшем значении напряжения U СИ . Это объясняется тем, что к p-n переходу между затвором и стоком прикладывается обратное напряжение, равное |U ЗИ | + |U СИ |. Смыкание переходов произойдет при условии равенства этого суммарного напряжения напряжению отсечки:

|U " СИ нас | + |U " ЗИ | = |U ЗИ отс | = |U СИ нас |. (1)

Учитывая, что в полевых транзисторах с каналом n- типа U СИ > 0, а U ЗИ < 0 и U ЗИ отс < 0, из уравнения (1) получаем

|U " СИ нас | = |U СИ нас | – |U " ЗИ |. (2)

I C нач - - - - - - - -

Рисунок 5.3 – Семейство выходных (стоковых) характеристик полевого транзистора с управляющим p-n -переходом

Область стоковых характеристик, соответствующая напряжениям 0 < U СИ < U СИ нас , называется крутой или омической . Последнее название связано с тем, что дифференциальное сопротивление канала полевого транзистора в данной области определяется напряжением на затворе. Вследствие этого полевые транзисторы широко используются в качестве переменных резисторов, управляемых электрическим способом.

Участки стоковых характеристик, снятые при U СИ > U СИ нас , соответствуют перекрытию канала (или насыщению). При напряжении U СИ , большем напряжения перекрытия, увеличиваются длина перекрытой части канала и его сопротивление. Если бы длина перекрытой части канала линейно зависела от напряжения U СИ, то с его ростом пропорционально увеличивалось бы сопротивление канала, а проходящий через него ток стока оставался постоянным. На самом деле длина перекрытой части канала зависит от напряжения U СИ так же, как глубина проникновения области объемного заряда δ в канал, определяемая формулой

Согласно уравнению (3), длина перекрытой части канала и его сопротивление пропорциональны и увеличиваются с ростом напряжения U СИ более медленно. Поэтому в области перекрытия канала увеличение напряжения U СИ сопровождается небольшим возрастанием тока стока.

Стоковые характеристики полевого транзистора с управляющим p-n -перехо­дом могут быть достаточно точно представлены аналитической зависимостью тока I С от напряжений U ЗИ , U СИ и U ЗИ отс :

для крутой области

; (4)

для пологой области

. (5)

Начальный ток стока I С нач и напряжение отсечки U ЗИ отс определяются размерами канала (L и b ) и физическими параметрами полупроводникового кристалла (подвижностью основных носителей, диэлектрической проницаемостью), а также законом распределения примесей в канале.

Статические характеристики передачи. Статическая вольт-амперная характеристика передачи, называемая также стокозатворной, проходной или характеристикой управления полевого транзистора, отображает зависимость I С = f (U ЗИ ) при U СИ = const в режиме перекрытия канала. Следовательно, эта характеристика описывается уравнением (5). Семейство характеристик передачи изображено на рисунке 5.4. Вид характеристики показывает, что при увеличении напряжения U ЗИ , смещающего p-n -переход в обратном направлении, ток стока уменьшается, а при U ЗИ = U ЗИ отс ток стока становится равным нулю. Таким образом характеристика передачи полевого транзистора может быть использована для определения напряжения отсечки.

U ЗИотс

Рисунок 5.4 – семейство передаточных (стокозатворных) характеристик полевого транзистора с управляющим p-n -переходом

5.1.3 МОП-транзисторы с индуцированным каналом

5.1.3.1 Устройство и принцип действия

Упрощенная структура МОП-транзистора с индуцированным каналом n -типа показана на рисунке 5.5. В полупроводнике p -типа, называемом подложкой , методом диффузии образованы две n + -области, не имеющие между собой электрического соединения. Одна из них называется стоком , другая – истоком . Эти области отделены друг от друга двумя включенными встречно p-n -переходами, образованными на границах n + - и p- областей. Поэтому если между стоком и истоком включить источник постоянного напряжения U СИ , то в цепи потечет очень малый ток, обусловленный обратным током p-n -переходов.

Рисунок 5.5 – структура МОП-транзистора с индуцированным каналом n -типа

Если к металлическому затвору приложить положительное напряжение относительно подложки, то под действием электрического поля начнется оттеснение дырок от поверхности полупроводника, расположенной напротив затвора, в глубину полупроводника. В результате этого концентрация дырок в приповерхностном слое уменьшается, а концентрация электронов увеличивается. При некотором значении внешнего напряжения на затворе концентрация электронов в этом слое может оказаться больше, чем концентрация дырок. Произойдет инверсия типа электропроводности. Слой с инверсной электронной электропроводностью, отделенный от полупроводника p -типа областью, обедненной свободными носителями заряда, соединяет n + - области стока и истока, т. е. служит каналом.

Если между стоком и истоком включить внешний источник напряжения U СИ , то при некотором значении напряжения на затворе, которое называется пороговым (U ЗИ пор ), в цепи сток – исток пойдет электрический ток. В канале транзистора этот ток обусловлен движением электронов. Так как электроны должны двигаться от истока к стоку, источник внешнего напряжения U СИ следует подключать положительным полюсом к стоку, а отрицательным – к истоку. Из-за падения напряжения на канале при прохождении по нему тока поперечное электрическое поле вблизи истока оказывается больше, чем вблизи стока, вследствие чего концентрация электронов в канале у истока больше, чем у стока. При увеличении положительного напряжения на затворе концентрация электронов в инверсном слое в будет увеличиваться. Это приведет к увеличению электропроводности канала и к росту тока стока. Режим работы полевого транзистора, при котором увеличение абсолютного значения напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока, называется режимом обогащения . Следовательно, МОП-транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения и поэтому их иногда называют полевыми транзисторами обогащенного типа .

На рисунке 5.6 даны условные графические обозначения МОП-транзисто­ров с индуцированным каналом.

Рисунок 5.6 Условное графическое обозначение МОП-транзистора с индуцированным каналом n -типа (а) и p -типа (б)

5.1.3.2 Статические характеристики МОП-транзисторов с индуцированным каналом

На рисунке 5.7 показаны статические выходные (стоковые) характеристики МДП-транзи­стора с индуцированным каналом n -типа. Эти характеристики снимаются при напряжениях на затворе, превышающих пороговое напряжение.

Рисунок 5.7 – Выходные (стоковые) характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом n -типа

Если бы с ростом напряжения U СИ концентрация электронов в индуцированном канала не изменялась, его сопротивление оставалось бы постоянным, а зависимость I C = f (U СИ) – линейной. Но вследствие протекания тока стока происходит падение напряжения вдоль канала, поэтому напряжение затвор-подложка уменьшается при движении от истока к стоку. Это приводит к тому, что концентрация электронов в канале у стока оказывается меньшей, чем у истока, и сопротивление канала растет с ростом напряжения U СИ. При некотором значении напряжения U СИ = U ЗИ – U ЗИпор , называемом напряжением насыщения, напряжение между затвором и подложкой вблизи стока становится меньше порогового, вследствие чего концентрация электронов в канале у стока становится равной нулю – происходит перекрытие канала и ограничение тока стока, как в транзисторах с управляющим p-n -переходом.

При увеличении напряжения U ЗИ стоковые характеристики смещаются вверх. Это обусловлено увеличением концентрации электронов в канале и, как следствие, его электропроводности.

Анализ показывает, что стоковые характеристики МДП-транзисторов описываются следующими аналитическими зависимостями:

в крутой области

в пологой области

Здесь – коэффициент (А/В) 2 , именуемый удельной крутизной. Как видно из формулы, она зависит от длины и ширины канала, материала диэлектрика и его толщины, а также от подвижности носителей в канале..

Статические характеристики передачи, или стокозатворные характеристики МОП-транзи­стора с индуцированным каналом, выражают зависимость I C = f (U ЗИ) при U СИ = const. Эти характеристики (рисунок 5.8) обычно приводятся для режима насыщения и описываются уравнением (7).

Рисунок 5.8 – Передаточные (стокозатворные) характеристики МОП-тран­зистора с индуцированным каналом n -типа.

5.1.4 МОП-транзисторы со встроенным каналом

5.1.4.1 Устройство и принцип действия

Рисунок 5.9 – структура МОП-транзистора со встроенным каналом n -типа

В МОП-транзисторах со встроенным каналом на стадии их изготовления между областями стока и истока технологическим путем создается тонкий приповерхностный слой (канал) с та­ким же типом электропроводности, что и электропроводность областей стока и истока (рисунок 5.9). Поэтому в таких транзисторах при нулевом напряжении на затворе включение источника постоянного напряжения между стоком и истоком сопровождается прохождением через канал некоторого тока, называемого начальным током стока. Увеличение положительного напряже­ния на затворе МДП-транзистора со встроенным каналом n -типа приводит к увеличению кон­центрации электронов в канале и увеличению тока стока. При подаче на затвор такого транзи­стора отрицательного напряжения происходит отток электронов в глубину полупроводника, концентрация электронов в канале и его электропроводность уменьшаются, что приводит к уменьшению тока стока. При некотором отрицательном напряжении на затворе, называемом напряжением отсечки (U ЗИ отс ) произойдет инверсия типа электропроводности канала, и n -об­ласти стока и истока окажутся разделенными областью полупроводника p -типа. Ток стока уменьшится до значения, определяемого обратным током p-n -перехода.

Режим работы полевого транзистора, при котором увеличение по абсолютной величине напряжения на затворе приводит к уменьшению тока стока, называется режимом обеднения . Следовательно, МОП-транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения и называются полевыми транзисторами обедненного типа .

На рисунке 5.10 даны условные графические обозначения МОП-транзисто­ров со встроенным каналом.

Рисунок 5.10 Условное графическое обозначение МОП-транзистора со встроенным каналом n -типа (а) и p -типа (б)

5.1.4.2 Статические характеристики МОП-транзисторов со встроенным каналом

Режим обогащения

Режим обеднения

Рисунок 5.11 – Выходные (стоковые) характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n -типа

Выходные (стоковые) статические характеристики МОП-транзисторов со встроенным каналом отличаются от аналогичных характеристик МОП-транзисто­ров с индуцированным каналом тем, что содержат характеристики, снятые как при отрицательных, так и при положительных напряжениях на затворе (рисунок 5.11). На характеристиках заметно выражены две области: крутая, соответствующая неперекрытому каналу, и пологая, соответствующая перекрытому каналу, или режиму насыщения тока стока. Наклон характеристик и сопротивление канала транзистора в крутой области определяются напряжением на затворе. Ток стока в МДП-транзисторах со встроенным каналом связан с напряжениями U СИ , U ЗИ , U ЗИ отс такими же аналитическими зависимостями (4) и (5), как в полевых транзисторах с управляющим p-n -переходом.

передаточные (стокозатворные) характеристики МОП-транзистора со встроенным каналом отличаются от аналогичных характеристик полевых транзисторов других типов тем, что имеют участки при положительных и отрицательных напряжениях на затворе. На рисунке 5.10 показаны передаточные характеристики МОП-транзистора со встроенным каналом n -типа. Увеличение положительного напряжения на затворе приводит к увеличению концентрации электронов в канале и увеличению тока стока, а увеличение отрицательного напряжения на затворе сопровождается уменьшением концентрации и снижением тока стока. При U ЗИ = U ЗИ отс транзистор запирается и I С = 0. Аналитическая зависимость тока стока от напряжений U ЗИ и U ЗИ отс в МОП-транзисторах со встроенным каналом определяется выражением (5).

Режим обеднения Режим обогащения

U ЗИотс

Рисунок 5.12 – Передаточные (стокозатворные) характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n -типа

5.1.5 Полевой транзистор как линейный четырехполюсник. Дифференциальные параметры полевых транзисторов

В режимах работы с малыми амплитудами сигнала ПТ любого типа, как и биполярный транзистор, можно представить в виде линейного четырехполюс­ника. Из-за высокого входного сопротивления полевых транзисторов наиболее подходящей как с позиций измерений, так и использования является система y -параметров. В этой системе токи затвора и стока рассматриваются как функции напряжений U ЗИ и U СИ :

I З = f (U ЗИ, U СИ); I С = f (U ЗИ, U СИ).

Уравнения четырехполюсника имеют вид:

Если заменить малые комплексные амплитуды бесконечно малыми приращениями, то из этих формул можно получить выражения для полных дифференциалов токов:

; (8)

. (9)

Частные производные в уравнениях (8) и (9) являются дифференциальными g -парамет­рами полевого транзистора; g -параметры – это вещественные части соответствующих y -параметров.

5.1.5.1. Проводимость прямой передачи или крутизна стокозатворной характеристики

U СИ = const.

Она показывает, на сколько миллиампер (ампер) изменяется ток стока, если при постоянном U СИ напряжение на затворе меняется на 1В. Крутизна позволяет сравнить транзисторы по их управляющим свойствам. Значения S лежат в пределах от 0,5 мА/В до нескольких ампер на вольт и в значительной мере определяются отношением ширины канала b к его длине l (с ростом b/l крутизна растет) и подвижностью носителей заряда. Так как подвижность электронов больше подвижности дырок, то при одинаковых размерах и разности напряжений U ЗИ – U пор крутизна n -канальных транзисторов выше, чем p -канальных.

В МОП-транзисторах для повышения крутизны необходимо уменьшать толщину подзатворного диэлектрика.

5.1.5.2. Выходная проводимость

U ЗИ = const.

Наиболее часто используется не выходная проводимость, а выходное (внутреннее) сопротивление

R i = 1 /g 22 и =

U ЗИ = const.

Внутреннее сопротивление составляет от нескольких десятков до сотен килоом.

5.1.5.3. Статический коэффициент усиления по напряжению

.

I С = const

Он показывает, во сколько раз изменение напряжения на затворе больше влияет на ток стока, чем изменение напряжения на стоке. Значение μ у может достигать нескольких сотен.

Дифференциальные параметры можно определить по статическим характеристикам транзистора (рисунки 8 и 9), используя формулы:

; ; .

U СИ = const U ЗИ = const

Поскольку характеристики полевых транзисторов нелинейны, значения дифференциальных параметров зависят от положения выбранной рабочей точки (режима по постоянному току), т. е. значений напряжений U СИ и U ЗИ .

5.2 Цель работы

Научиться определять статические и дифференциальные параметры ПТ.

5.3 Задачи

Для достижения поставленной цели вам необходимо решить следующие задачи:

– провести измерения и построить статические вольт-амперные характеристики (ВАХ) МОП-тразистора или ПТ с управляющим p-n-переходом (по заданию преподавателя);

– определить статические параметры ПТ;

5.4 Порядок работы и методы решения задач

5.4.1 Из справочника /1/ выпишите кратко основные электрические параметры исследуемого ПТ, выполните эскиз внешнего вида со схемой расположения выводов, зарисуйте условное графическое обозначение /5/, расшифруйте маркировку ПТ.

Изобразите схему включения ПТ с общим истоком в активном режиме /2, раздел 6.1/, укажите токи и напряжения во входной и выходной цепях. Дайте эскиз структуры ПТ.

5.4.2 С помощью лабораторного макета, передняя панель которого с элементами управления и контроля режимов ПТ показана на рисунке 6.1, проведите измерения статических выходных и передаточных характеристик ПТ /2, раздел 6.3, 3, разделы 6.1, 6.5/.

Измерение статических ВАХ с помощью лабораторного макета производится по точкам методом вольтметра-амперметра.

Принципиальная электрическая схема измерительного макета приведена на рис. 6.2.

Определите по справочнику /1/ тип проводимости канала исследуемого вами ПТ и переведите ключи измерения полярности напряжения на стоке и затворе в положение, соответствующее его работе в активном режиме (см. рисунок 6.1). Подключите испытуемый ПТ к измерительному блоку.

При измерении выходных ВАХ ПТ необходимо задавать различные напряжения на стоке и измерять соответствующие им токи стока. Напряжение на стоке меняйте от нуля до 10 В.

Выходную характеристику ПТ измерьте четыре раза при постоянных напряжениях на затворе U зи = 0; 0,25; 0,5 и 1,0 В.

При измерении передаточной характеристики ПТ необходимо задавать различные напряжения на затворе и измерять соответствующие им значения тока стока при условии постоянства напряжения между стоком и истоком.

Напряжение на затворе меняйте от нуля до значений, при которых I с » 0.

Передаточную характеристику измерьте четыре раза при постоянных напряжениях на стоке U си = 0,5; 1,0; 5,0 и 10 В.

5.4.3 Используя результаты полученных измерений, постройте семейства выходных и передаточных характеристик ПТ.

5.4.4 По статическим ВАХ ПТ определите его статические параметры и укажите их на графиках /3, разделы 6,1 и 6.5; 4/:

– начальный ток стока I с нач при U СИ = 10 В;

– напряжение отсечки U зи отс или пороговое напряжение U ЗИ пор (в зависимости от типа транзистора) при I С = 0,01 мА;

– напряжение насыщения U си нас при U зи = 0; 0,25; 0,5 и 1,0 В.

На основе построенных статических ВАХ ПТ рассчитайте его дифференциальные параметры /2, раздел 6.5; 4/ методом графического дифференцирования:

– активную составляющую g 22и полной выходной проводимости ПТ при U си = 10 В; U зи = 0;

– крутизну характеристики S при U зи = 0 и при напряжениях U си = 0,5; 1,0; 5,0 и 10 В;

– коэффициент усиления m при U з и = 0 и U си = 10 В.

Постройте зависимость крутизны S от напряжения U си .

При расчете дифференциальных параметров ПТ методом графического дифференцирования величины приращений токов и напряжений на электродах ПТ необходимо выбирать такими, чтобы в пределах этих приращений участок статической ВАХ ПТ оставался линейным.

Отчет о работе должен содержать результаты измерений и вычислений по всем пунктам задания.

Для успешной защиты выполненной работы вы должны знать принцип работы ПТ с управляющим p-n-переходом, его основные статические и дифференциальные параметры, уметь их определять, уметь пояснить ход статических ВАХ, сравнить с другими типами усилительных приборов.

Рисунок 5.13 – Лицевая панель измерителя статических характеристик полевых транзисторов

Рисунок 5.14 – принципиальная электрическая схема измерителя статических характеристик полевых транзисторов

Литература

1 Аксенов А. И. Отечественные полупроводниковые приборы. Транзисторы биполярные. Диоды. Варикапы. Стабилитроны и стабисторы. Тиристоры. Оптоэлектронные приборы. Аналоги отечественных и зарубежных приборов: Справ. изд. – 6-е изд., доп. и испр. – М.: Солон-Пресс, 2008.–589 с.: ил.

2 Шишкин Г. Г. Электроника: Учеб. для вузов / Г. Г. Шишкин, А. Г. Шишкин. – М. : Дрофа, 2009. – 703 с. : ил.

3 Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учеб. пособие. – 8-е изд., испр. – СПб.: Лань, 2006. – 480 с.: ил.

4 ГОСТ 19095-73. Транзисторы полевые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров.

5 ГОСТ 2.730-73. Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые.

Приложение А

(обязательное )

Пример оформления отчета по лабораторной работе

Титульный лист отчета

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого»

Институт электронных и информационных систем

_______________________________________________________________

Кафедра физики твердого тела и микроэлектроники

Термистор

Лабораторная работа по учебной дисциплине

“Электротехника и электроника: электроника” по направлению 210300 – Радиотехника

Преподаватель

Ст. преподаватель КФТТМ

Г.В. Гудков

Студент гр. _________

В.В.Алексеев

“. . .”. . . . . . . . . . 2012 г.

1 Цель работы

Научиться определять основные статические и дифференциальные параметры термистора.

– ознакомиться со справочными данными термистора;

– провести измерения вольтамперной характеристики и зависимости сопротивления от температуры;

3 Определение

Термистор - это полупроводниковый объемный резистор с большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

4 Практическая часть

Справочные данные термистора КМТ-17б /1/:

конструкция условное графическое обозначение

Маркировка: КМТ-17б. Кобальто-марганцевый (КМ) терморезистор (Т), тип конструкции 17б (дисковый).

Основные параметры:

– пределы номинального сопротивления R ном = 0,3¸20 кОм;

– максимальная мощность рассеяния Р макс = 500 мВт;

– интервал рабочих температур t = -60¸155 °С;

– температурный коэффициент сопротивления a R > 4,2 %/К;

– коэффициент рассеяния Н = 10 мВт/К;

– коэффициент температурной чувствительности В > 3600 К;

– постоянная времени t = 30 с.

Измерение вольтамперной характеристики и температурной зависимости сопротивления термистора

Рисунок А1 - Принципиальная электрическая схема для измерения

характеристик и параметров терморезисторов

Таблица А1 - Вольтамперная характеристика термистора КМТ-17б

Рисунок А2 Рисунок А3

4.3 Расчет параметров термистора КМТ-17б

Температурный коэффициент сопротивления (рисунок А3):

.

Коэффициент температурной чувствительности:

4.4 Применение термистора

Термисторы применяются в качестве датчиков при измерении и регулировании температуры, измерении мощности на СВЧ, для температурной сигнализации и т.п.

Литература

Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учеб. пособие. – 8-е изд., испр. – СПб.: Лань, 2006. – 480 с.: ил.

Это полупроводниковые приборы, которые ста­новятся все более популярными в современной электронике. Их рабо­та основана на использовании полупроводникового токонесущего канала, сопротивление которого управляется электрическим полем.Тем самым обеспечивается управление величиной тока, протекающего по каналу.

Полевые транзисторы называют также униполярными транзисторами, поскольку перенос заряда в них осуществляется только основными носителями. Ток этих носителей протекает в полупроводнике только одного типа - или n -типа, или p -типа. В отличие от полевого работа обычного транзистора основана на переносе как неосновных, так и основных носи­телей заряда. Это связано с тем, что ток в них протекает через прямосмещенный переход база-эмиттер (основные носители) и обратносмещенный переход база-коллектор (неосновные носители). Поэтому обычные транзисторы называют биполярными транзисторами.

У полевого транзистора три электрода: исток s (source ), затвор g (gate ) и сток d (drain ). Эти электроды соответствуют эмиттеру, базе и коллектору биполярного транзистора.

Полевые транзисторы малы по размерам и имеют очень высокое входное сопротивление.Они менее чувствительны к изменениям температуры по сравнению с биполярными транзисторами и поэтому менее склонны к тепловому пробою. Следует также отметить простоту разработки схем на основе полевых транзисторов, в которых используется меньше компонентов, чем в аналогичных схемах на биполярных транзисторах.

Полевые транзисторы просты в изготовлении и лучше подходят для использования в интегральных схемах, чем их собратья - биполярные транзисторы.

Существуют два типа полевых транзисторов: транзисторы с управляющим pn -переходом и транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник (МОП-транзистор).

Транзистор с управляющим pn-переходом

Рассмотрим канал из полупроводника n -типа (канал n -типа), к которо­му приложено постоянное напряжение V DD (рис. 26.1(а)). По каналу от тока к истоку будет протекать ток, называемый током стока I d . Если теперь внутри п -канала путем диффузии создать область р -типа, называемую затвором (рис. 26.1(б)), то образуется рп -переход. Точно так же, как в случае обычного рп -перехода, в области перехода формируется слой, обедненный основными носителями заряда. Видно, что обедненный слой ограничивает протекание тока по каналу, уменьшая эффективную шири­ну последнего. Другими словами, он увеличивает сопротивление канала. Ширину обедненного слоя можно увеличить, т. е. еще больше ограничить протекание тока, если подать на переход напряжение V GS , которое сме­стит переход в обратном направлении (рис. 26.1(б)). Изменяя величину напряжения обратного смещения на затворе, можно управлять величи­ной тока стока I D . На рис. 26.2 показано поперечное сечение структуры полевого транзистора рассматриваемого типа.

Рис. 26.1. Принцип работы полевого транзистора с управляющим рп -переходом.

Поперечное сечение структуры

полевого транзистора с управляющим рп -переходом.

Рис. 26.3. Условные обозначения транзисторов

с управляющим рп- переходом.

Применяются также полевые транзисторы с каналом p -типа, питае­мые от источника отрицательного напряжения – V DD . Условные обозна­чения обоих типов транзисторов с управляющим pn -переходом приведены на рис. 26.3.

Выходные характеристики

рп- переходом в схеме с общим истоком показано на рис. 26.4. Они ана­логичны выходным характеристикам биполярного транзистора. Эти ха­рактеристики показывают зависимость выходного тока I D от выходного напряжения V DS (напряжения между стоком и истоком) для заданных Значений напряжения на затворе V GS (напряжения между затвором и истоком).

Диапазон изменения смещающего напряжения затвор-исток доволь­но велик (несколько вольт) в отличие от биполярного транзистора, где напряжение база-эмиттер практически постоянно.

Видно, что при увеличении (по абсолютной величине) напряжения на затворе ток стока уменьшается. Это уменьшение происходит до тех пор, пока расширяющийся обедненный слой перехода затвор-канал не пере­кроет весь канал, останавливая протекание тока. В этом случае говорят, что полевой транзистор находится в состоянии отсечки.

Напряжение отсечки

рассмотрим выходную характеристику для V GS = 0 (рис. 26.4). При уве­личении напряжения V DS (от нулевого значения) ток стока постепенно увеличивается, пока не достигает точки Р, после которой величина тока практически не изменяется. Напряжение в точке Р называется напря­жением отсечки. При этом напряжении обедненный слой, связанный с обратносмещенным переходом затвор-канал, почти полностью перекры­вает канал. Однако протекание тока I D в этой точке не прекращается, поскольку благодаря этому току как раз и создается обедненный слой. Все кривые семейства выходных характеристик имеют свои точки отсеч­ки: P 1 , P 2 и т. д. Если соединить эти точки друг с другом линией, то правее ее лежит область отсечки, являющаяся рабочей областью полевого транзистора.

Усилитель на полевом транзисторе с общим истоком

Схема типичного усилителя ЗЧ на полевом транзисторе показана на рис. 26.5. В этой схеме через резистор утечки R 1 отводится на шасси очень малый ток утечки затвора. Резистор R 3 обеспечивает необходимое обратное смещение, поднимая потенциал истока выше потенциала затво­ра.

Рис. 26.4. Семейство выходных характеристик транзистора с управляющим рп -переходом.

Рис. 26.5. УЗЧ на п -канальном полевом транзисторе с управляющим рп- переходом.

Кроме того, этот резистор обеспечивает также стабильность режима усилителя по постоянному току. R 2 – нагрузочный резистор, который может иметь очень большое сопротивление (до 1,5 МОм). Развязыва­ющий конденсатор С 2 в цепи истока устраняет отрицательную обратную связь по переменному току через резистор R 3 . Следует отметить, что раз­делительный конденсатор С 1 может иметь небольшую емкость (0,1 мкФ) благодаря высокому входному сопротивлению полевого транзистора.

При подаче сигнала на вход усилителя изменяется ток стока, вызы­вая, в свою очередь, изменение выходного напряжения на стоке транзи­стора. Во время положительного полупериода входного сигнала напря­жение на затворе увеличивается в положительном направлении, обратное напряжение смещения перехода затвор-исток уменьшается и, следовательно, увеличивается ток I D полевого транзистора. Увеличение I D приводит к уменьшению выходного (стокового) напряжения, и на выходе воспроизводится отрицательный полупериод усиленного сигнала. И на­оборот, отрицательному полупериоду входного сигнала соответствует по­ложительный полупериод выходного сигнала. Таким образом, входной и выходной сигналы усилителя с общим истоком находятся в противофазе.

Расчет статического режима

Одно из преимуществ полевого транзистора – очень малый ток утечки затвора, величина которого не превышает нескольких пикоампер (10 -12 A). Поэтому в схеме усилителя па рис. 26.5 затвор находится практически при нулевом потенциале. Ток полевого транзистора протекает от стока к истоку и обычно отождествляется с током стока I D (который, очевидно, равен току истока I S ).

Рассмотрим схему на рис. 26.5. Полагая I D = 0,2 мА, вычисляем потенциал истока: V S = 0,2 мА · 5 кОм = 1 В. Это величина напряжения обратного смещения управляющего pn -перехода.

Падение напряжения на резисторе R 2 = 0,2 мА · 30 кОм = 6 В.

Потенциал стока V D = 15 – 6 = 9 В.

Линия нагрузки

Линию нагрузки можно начертить точно так же, как для биполярного транзистора. На рис. 26.6 показана линия нагрузки для схемы па же. 26.5.

Если I D = 0, то V DS = V DD = 15 В. Это точка Х на линии нагрузки.

Если V DS = 0, то почти все напряжение V DD источника питания па­дает на резисторе R 2 . Следовательно, I D = V DD / R 2 = 15 В / 30 кОм = 0,5 мА. Это точка Y на линии нагрузки. Рабочая точка Q выбирается таким образом, чтобы транзистор работал в области отсечки.

Выбранная рабочая точка Q (точка покоя) на рис. 26.6 определяется величинами: I D = 0,2 мА, V GS = - 1 В, V DS = 9 В.

МОП-транзистор

В полевом транзисторе этого типа роль затвора играет металлический электрод, электрически изолированный от полупроводника тонкой пленкой диэлектрика, в данном случае оксида. Отсюда и название транзистора «МОП» - сокращение от «металл-оксид-полупроводник».

Канал п -типа в МОП-транзисторе формируется за счет притяже­ния электронов из подложки р -типа диэлектрическим слоем затвора (рис. 26.7). Ширину канала можно изменять, подавая на затвор электрический потенциал. Подача положительного (относительно подложки)

Рис. 26.6. Линия нагрузки усилителя на полевом транзисторе (рис. 26.5).

Рис. 26.7.

потенциала приводит к расширению канала п -типа и увеличению тока через этот канал, подача отрицательного потенциала вызывает сужение канала и уменьшение тока. Для МОП-транзистора с каналом р -типа си­туация изменяется на обратную.

Существует два типа МОП-транзисторов: транзисторы, работающие в режиме обогащения , и транзисторы, работающие в режиме обедне­ния. Транзистор, работающий в режиме обогащения, находится в состоянии отсечки тока (нормально выключен), когда напряжение смеще­ния V GS = 0.

Рис. 26.8. п -типа, ра­ботающего в режиме обогащения, и условное обозначение этого транзистора.

Рис. 26.9. Выходные характеристики МОП-транзистора с каналом n -типа, ра­ботающего в режиме обеднения, и условное обозначение этого транзистора.

Протекание тока начинается только при подаче напряже­ния смещения на затвор. Выходные характеристики п -канального МОП-транзистора с каналом п -типа, работающего в режиме обогащения, и его условное обозначение показаны на рис. 26.8.

МОП-транзистор, работающий в режиме обеднения, проводит ток, ко­гда напряжение смещения на затворе отсутствует (нормально включен). Для МОП-транзистора с каналом n -типа ток стока увеличивается при подаче на затвор положительного напряжения и уменьшается при подаче отрицательного напряжения (рис. 26.9).

р -типа показано на рис. 26.10. Заметим, что прерывающаяся жирная линия указывает на МОП-транзистор, работающий в режиме обогащения (нормально выключен).

Рис. 26.10. Условное обозначение МОП-транзистора с каналом р -типа.

Рис. 26.11. Усилитель на МОП-транзисторе с каналом р -типа, рабо­тающий в режиме обеднения.

Сплошная линия используется для обозначения МОП-транзистора, работающего в режиме обеднения (нормально включен). Вывод подлож­ки обозначается буквой «Ь», обычно он соединяется с выводом истока. На рис. 26.11 схема типичного усилителя с общим истоком на МОП-транзисторе с каналом р -типа, работающего в режиме обеднения. Ис­пользуется источник питания с отрицательным напряжением. Положи­тельное напряжение смещения между затвором и истоком V GS создается обычным образом с помощью резистора R 3 в цепи истока.

В этом видео рассказывается о типах полевых транзисторов:

Полевым транзистором именуют такой компонент, через который под влиянием продольного электрического поля протекает ток, обусловленный движением носителей заряда сугубо одного типа.Так как принцип действия полевых транзисторов основан на перемещении основных носителей заряда одного типа проводимости, такие компоненты ещё называют униполярными.

Затвором называют вывод полевого транзистора, к которому подводят напряжение от устройства управления. Следует подчеркнуть, что управление полевыми транзисторами осуществляют напряжением, а биполярными транзисторами - током. Истоком именуют вывод, который обычно служит источником поступления в транзистор носителей заряда от устройства электропитания. Стоком называют вывод компонента, через который носители заряда покидают транзистор. Перемещение основных носителей заряда от истока к стоку происходит по области, которая носит название канала полевого транзистора. Каналы у полевых транзисторов могут быть как электронного, так и дырочного типов проводимостей. Носителями заряда в полевых транзисторах n-типа выступают электроны, а в приборах p-типа - дырки. Полевые транзисторы классифицируют на приборы с управляющим переходом и с изолированным затвором, причём последние подразделяют на транзисторы со встроенным каналом и приборы с индуцированным каналом.

К основным параметрам полевых транзисторов причисляют входное сопротивление, внутреннее сопротивление транзистора, также называемое выходным, крутизну стокозатворной характеристики, напряжение отсечки и другое. Входное сопротивление транзистора - это отношение приращения напряжения затвор-исток и приращению тока затвора. Внутреннее сопротивление транзистора - это отношение приращения напряжения сток-исток к приращению тока стока при заданном напряжении затвор-исток. Крутизна стокозатворной характеристики - это отношение приращения тока стока к приращению напряжения затвор-исток при фиксированном напряжении сток-исток.

5.2. Полевые транзисторы с управляющим переходом

5.2.1. Конструкция полевых транзисторов с управляющим переходом

Первый полевой транзистор с управляющим переходом теоретически были рассчитан Уильямом Шокли в 1952 году. Одна из разновидностей таких транзисторов - унитрон - представляет собой полупроводниковую пластину дырочного или электронного типов проводимостей. На её торцы наносят токопроводящие плёнки, к которым подключают выводы стока и истока, а широкие грани легируют для получения противоположного типа проводимости относительно проводимости пластины и подсоединяют к этим граням вывод затвора. Другая разновидность полевых транзисторов с управляющим переходом - текнетрон - может быть образован, например, стержнем из германия, к торцам которого подсоединяют выводы истока и стока, а вокруг стержня внесением индия выполняют кольцеобразный затвор.

Упрощённая конструкция полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа проводимости изображена на рис. 5.1.

Из рисунка видно, что канал возникает между двумя p-n переходами. Конструкция компонентов с каналом n-типа не имеет отличий от конструкции полевых транзисторов с каналом p-типа, что видно на рис. 5.2.

Но в полевых транзисторах с каналом n-типа полупроводник, в котором возникает канал, обладает электронным типом проводимости, а области затвора имеют дырочную проводимость. Полевые транзисторы с каналом n-типа могут обладать лучшими частотными и температурными свойствами и образовывать шумы меньшей амплитуды, чем приборы с каналом p-типа.

5.2.2. Принцип действия полевых транзисторов с управляющим переходом

Принцип действия полевых транзисторов с управляющим переходом заключён в изменении площади сечения канала под воздействием поля, возникающего при подаче напряжения между затвором и истоком. Упрощённая структура полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа приведена на рис. 5.3.

Пока между затвором и истоком не подано напряжение управления, под воздействием внутреннего поля электронно-дырочных переходов они заперты, сечение канала наиболее велико, его сопротивление низко, и ток стока транзистора максимален. Напряжение затвор-исток, при котором ток стока наиболее велик, называют напряжением насыщения.

Если между затвором и истоком приложить небольшое напряжение, ещё немного закрывающее p-n переходы, то зоны, к которым подсоединён затвор, будут обеднены носителями заряда, размеры этих зон объёмного заряда возрастут, частично перекрывая сечение канала, сопротивление канала возрастёт, и сила тока стока станет меньше. Обеднённые носителями заряда области почти не проводит электрический ток, причём эти области неравномерны по длине пластины полупроводника. Так, у торца пластинки, к которому подключен вывод стока, обеднённые носителями заряда области будут наиболее существенно перекрывать канал, а у противоположного торца, к которому подсоединён вывод истока, снижение площади сечения канала будет наименьшим.

Если приложить ещё большее напряжение между затвором и истоком, то области, обеднённые носителями заряда, станут столь велики, что сечение канала может быть ими полностью перекрыто. При этом сопротивление канала будет наибольшим, а ток стока будет практически отсутствовать. Напряжение затвор-исток, соответствующее такому случаю, именуют напряжением отсечки.

К важнейшим характеристикам полевых транзисторов относят стокозатворную характеристику и семейство стоковых характеристик. Стокозатворная характеристика отражает зависимость силы тока стока от приложенного к выводам затвор-исток напряжения при фиксированном напряжении сток-исток. Это показано на рис. 5.4 для полевых транзисторов с управляющим переходом и каналами p-типа и n-типа проводимостей.

Семейство стоковых характеристик представляет зависимости токов стока от напряжений сток-исток при фиксированных стабильных напряжениях затвор-исток, что изображено на рис. 5.5.

По достижении определённого значительного напряжения сток-исток развивается лавинный пробой области между затвором и стоком. При этом идёт резкое увеличение тока стока, что можно видеть на стоковой характеристике.

Функционирование полевых транзисторов с управляющим переходом возможно сугубо путём обеднения канала носителями заряда. В связи с тем, что напряжение сигнала прикладывают к закрытому переходу, входное сопротивление каскада велико и для рассмотренных выше приборов может достигать 109 Ом.

5.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором

Полевой транзистор с изолированным затвором потому носит такое название, что его затвор, выполненный из тонкого металлического покрытия, нанесён на диэлектрический слой, который отделяет затвор от канала. По этой причине полевые транзисторы с изолированным затвором имеют аббревиатуру МДП (металл - диэлектрик - полупроводник). Слой диэлектрика часто образуют двуокисью кремния. Такие полевые транзисторы носят аббревиатуру МОП (металл - оксид - полупроводник). Полевые транзисторы с изолированным затвором имеют большее входное сопротивление, достигающее 1015 Ом, чем полевые транзисторы с управляющим переходом.

5.3.1. Полевые транзисторы со встроенным каналом

Структура полевого транзистора со встроенным каналом n-типа проводимости дана на рис. 5.6.

Приложим от источника питания постоянное напряжение между выводами сток-исток. Пока напряжение затвор-исток отсутствует, канал обладает некоторым сопротивлением, по нему двигаются основные носители заряда, а, следовательно, протекает некоторый ток стока транзистора. Если к выводам затвор-исток транзистора с каналом n-типа подключить источник питания так, чтобы на затвор было подано напряжение положительной полярности, то неосновные носители заряда, присутствующие в подложке, будут втянуты электрическим полем в канал. Концентрация носителей заряда в канале возрастёт, его сопротивление станет меньше, а, значит, ток стока станет больше. Если подключить источник питания обратной полярностью так, чтобы на затвор было подано отрицательное напряжение относительно истока, то электроны, присутствующие в канале, под действием поля будут вытеснены в подложку. При этом концентрация носителей заряда в канале станет ниже, сопротивление канала возрастет, и ток стока станет меньше. Если запирающее напряжение затвор-исток будет столь велико, что практически все носители заряда будут оттеснены в подложку, то ток стока станет почти отсутствовать. Стокозатворные характеристики полевых транзисторов со встроенным каналом n-типа и p-типа проводимостей приведены на рис. 5.7.

Заключим, что полевые транзисторы со встроенным каналом функционируют как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения канала.

5.3.2. Полевые транзисторы с индуцированным каналом

Структура полевого транзистора n-типа проводимости с индуцированным каналом представлена на рис. 5.8.

Когда напряжение затвор-исток полевого транзистора, изображённого на рисунке, отсутствует, либо к затвору приложено напряжение отрицательной полярности, канал не возникает и ток стока транзистора не течёт. Когда на затор транзистора подано напряжение положительной полярности относительно истока, возникнет электрическое поле, втягивающее в область под затвором электроны, которые находились в подложке на правах неосновных носителей заряда. А дырки из канала полем будут оттеснены в подложку, обладающую p-типом проводимости. Концентрация электронов в локальном участке полупроводника под затвором между стоком и истоком возрастает относительно концентрации дырок, то есть имеет место смена типа проводимости и возникает, или как говорят, индуцируется, канал. В результате происходит движение носителей заряда по каналу, и течёт ток стока. Стокозатворные характеристики полевых транзисторов с индуцированным каналом p-типа и n-типа проводимостей даны на рис. 5.9.

Сделаем вывод, что полевые транзисторы с индуцированным каналом функционируют сугубо в режиме обогащения канала носителями заряда.

5.4. Режимы работы полевых транзисторов

5.4.1. Динамический режим работы транзистора

Динамическим режимом работы называют такой режим, в котором к транзистору, который усиливает входной сигнал, подключена нагрузка. Такой нагрузкой может служить резистор Rс, подсоединённый последовательно со стоком полевого транзистора, включённого по схеме с общим истоком, что показано на рис. 5.10.

Постоянное напряжение питания каскада Uп составляет сумму падений напряжений на выводах сток-исток транзистора и на резисторе Rс, то есть Uп = URс + Uси.р. В тоже время, согласно закону Ома, падение напряжения на нагрузочном резисторе Rс равно произведению протекающего по нему тока Iс.р на его сопротивление: URс = Iс.р. Rс. Согласно сказанному, напряжение питания каскада составляет: Uп = Uси.р + Iс.р. Rс. Последнее выражение можно переписать относительно напряжения сток-исток транзистора, и в этом случае получим линейную формулу для выходной цепи Uси.р = Uп - Iс.р. Rс, которую именуют уравнением динамического режима.

На выходных статических характеристиках транзистора для получения представления о режимах работы каскада строят динамическую характеристику, имеющую форму линии. Рассмотрим рисунок 5.11, на котором изображена такая динамическая характеристика усилительного каскада.

Чтобы провести эту линию, которую ещё называют нагрузочной прямой, необходимо знать две координаты точек, соответствующих напряжению питания каскада и току стока в режиме насыщения. Эта нагрузочная прямая пересекает семейство выходных статических характеристик, а точка пересечения, которую называют рабочей, соответствует определённому напряжению затвор-исток. Зная положение рабочей точки, можно вычислить некоторые ранее не известные токи и напряжения в конкретном устройстве.

5.4.2. Ключевой режим работы транзистора

Ключевым называют такой режим работы транзистора, при котором он может быть либо полностью открыт, либо полностью закрыт, а промежуточное состояние, при котором компонент частично открыт, в идеале отсутствует. Мощность, которая выделяется в транзисторе, в статическом режиме равна произведению тока, протекающего через выводы сток-исток, и напряжения, приложенного между этими выводами.

В идеальном случае, когда транзистор открыт, т.е. в режиме насыщения, его сопротивление межу выводами сток-исток стремится к нулю. Мощность потерь в открытом состоянии представляет произведение равного нулю напряжения на определённую величину тока. Таким образом, рассеиваемая мощность равна нулю.

В идеале, когда транзистор закрыт, т.е. в режиме отсечки, его сопротивление между выводами сток-исток стремится к бесконечности. Мощность потерь в закрытом состоянии есть произведение определённой величины напряжения на равное нулю значение тока. Следовательно, мощность потерь равна нулю.

Выходит, что в ключевом режиме, в идеальном случае, мощность потерь транзистора равна нулю. На практике, естественно, когда транзистор открыт, присутствует некоторое небольшое сопротивление сток-исток. Когда транзистор закрыт, по выводам сток-исток протекает ток небольшой величины. Таким образом, мощность потерь в транзисторе в статическом режиме мала. Однако в динамическом режиме, когда транзистор открывается или закрывается, его рабочая точка форсирует линейную область, в которой ток через транзистор может условно составлять половину максимального тока стока, а напряжение сток-исток может достигать половины от максимальной величины. Таким образом, в динамическом режиме в транзисторе выделяется огромная мощность потерь, которая свела бы на нет все замечательные качества ключевого режима, но к счастью длительность нахождения транзистора в динамическом режиме много меньше длительности пребывания в статическом режиме. В результате этого КПД реального транзисторного каскада, работающего в ключевом режиме, может быть очень высок и составлять до 93% - 98%.

Работающие в ключевом режиме транзисторы широко применяют в силовых преобразовательных установках, импульсных источниках электропитания, в выходных каскадах некоторых передатчиков и пр.

Москатов Е. А. Книга «Электронная техника. Начало»

http://moskatov.narod.ru/Books/The_electronic_technics/MOSFET.html

Полевыми транзисторами (ПТ) называются полупроводниковые приборы, которые в отличие от обычных биполярных транзисторов управляются электрическим полем, т.е. практически без затраты мощности управляющего сигнала. В англоязычной литературе эти транзисторы называют транзисторами типа FET (FieldEffectTransistor).

Различают шесть различных типов ПТ. Их условные обозначения в электрических схемах представлены на рис.8.1.

Управляющим электродом ПТ является затвор З. Он позволяет управлять величиной сопротивления между стоком С и истоком И (область полупроводника между С и И называют каналом). Управляющим напряжением является напряжение UЗИ. Большинство ПТ являются симметричными, т.е. их свойства почти не изменяются, если их электроды С и И поменять местами. В транзисторах с управляющим переходом затвор отделен от канала СИ p-n переходом. При правильной полярности напряжения UЗИp-n переход запирается, и изолирует затвор от канала; при противоположной полярности он открывается. Для ПТ с управляющим переходом такой режим является запрещенным.

Рис.8.1. Разновидности полевых транзисторов.

У ПТ с изолированным затвором, или МОП транзисторов (МОП - металл-оксид-полупроводник) затвор отделен от канала СИ тонким слоем диэлектрика. При таком исполнении транзистора ток через затвор не будет протекать при любой полярности напряжения на затворе. Входные сопротивления ПТ с управляющим переходом составляют от 1010 до 1013 Ом, а для МОП транзисторов - от 1013 до 1015 Ом. В МОП транзисторах присутствует четвертый вывод от так называемой подложки. Этот электрод, как и затвор, может выполнять управляющие функции, но он отделен от канала только p-n переходом. Управляющие свойства подложки обычно не используются, а ее вывод соединяют с выводом истока.

Аналогично делению биполярных транзисторов на p-n-p и n-p-n-транзисторы, полевые транзисторы делятся на p-канальные и n-канальные. У n-канальных ПТ ток канала становится тем меньше, чем меньше потенциал затвора. У p-канальных ПТ наблюдается обратное явление.

Типовые передаточные характеристики ПТ приведены на рис. 8.2. Пользуясь этими характеристиками, можно установить полярность управляющего напряжения, направление тока в канале и диапазон управляющего напряжения.

Рассмотрим некоторые особенности этих характеристик. Все характеристики ПТ с каналом n-типа расположены в верхней половине графика и, следовательно, имеют положительный ток, что соответствует положительному напряжению на стоке. Наоборот, все характеристики приборов с каналом p-типа расположены в нижней половине графика и, следовательно, имеют отрицательное значение тока и отрицательное напряжение на стоке. Характеристики ПТ с управляющим переходом при нулевом напряжении на затворе имеют максимальное значение тока, которое называется IС НАЧ.При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки UОТС становится близким к нулю.

Характеристики МОП транзисторов с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах происходит при напряжении на затворе больше порогового значения UПОР. Увеличение напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока.

Характеристики МОП транзистора со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют начальное значение тока IС НАЧ.Такие транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и режиме обеднения. При увеличении напряжения на затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижается.

Рис.8.2. Типовые передаточные характеристики ПТ

Карта входных и выходных напряжений при заземленном истоке (рис.8.3) помогает разобраться в ситуации.

Различные транзисторы, включая биполярные, нарисованы в квадрантах, характеризующих их входное и выходное напряжение в активной области при заземленном истоке (или эмиттере). При этом вовсе не обязательно запоминать свойства каждого из шести представленных здесь типов ПТ, поскольку они в основном все одинаковы.

Во-первых, при заземленном истоке ПТ включается (переходит в проводящее состояние) путем смещения напряжения затвора в сторону напряжения питания стока. Это верно как для всех видов ПТ, так и для биполярных транзисторов. Например, для n-канального ПТ с управляющим p-n переходом используется положительное напряжение питания стока, как и для всех n-канальных приборов. Таким образом, этот ПТ включается положительным смещением затвора. Во-вторых, в связи с примерной симметрией истока и стока любой из этих выводов может работать как исток. При анализе работа ПТ за исток принимается вывод, наиболее «удаленный» по напряжению от активного питания стока.

Рис.8.3. Карта входных и выходных полярностей транзисторов.

На рис.8.4 приведены выходные вольт-амперные характеристики ПТ с управляющим переходом с каналом n-типа. Характеристики других типов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных напряжений. На этих вольт-амперных характеристиках можно выделить две области: линейную и насыщения.

Рис.8.4. Выходные характеристики ПТ с управляющим переходом и каналом n-типа

В линейной области вольт-амперные характеристики вплоть до точки перегиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе. В области насыщения вольт-амперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о независимости тока стока от напряжения на стоке. Особенности этих характеристик обусловливают применение ПТ. В линейной области ПТ используют как сопротивление, управляемое напряжением на затворе, а в области насыщения - как усилительный элемент.