Полевые транзисторы

Размещено на http://www.allbest.ru

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

1. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом

Полевым транзистором называют трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором электрический ток создается основными носителями заряда под действием продольного электрического поля, а модуляция тока осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемым напряжением на управляющем электроде. Полевые транзисторы бывают двух разновидностей: с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором (МДП- или МОП-транзисторы).

Область полупроводника, по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, от которого начинают движение основные носители заряда в канале, называют истоком. Электрод, являющийся приемником движущихся основных носителей, называют стоком. Электрод, используемый для управления величиной поперечного сечения канала, называется затвором.

Структура полевого транзистора с управляющим p-n переходом и с каналом n-типа представлена на рис. 4.1.

полевой транзистор затвор канал

Рис.4.1. Упрощенная структурная схема полевого транзистора с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом представляет собой транзистор, затвор которого отделен от канала p-n переходом. Канал может иметь электропроводность как n-типа, так и p-типа. Напряжение источника питания U_си прикладывается к промежутку сток -- исток таким образом, чтобы поток основных носителей (в канале n-типа -- электроны) двигался от истока к стоку. К промежутку затвор -- исток прикладывается напряжение U_зи, запирающее управляющий p-n-переход транзистора. При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется площадь поперечного сечения канала и его сопротивление, а значит, и величина тока, протекающего через канал. В цепи затвора протекает малый обратный ток, в связи с этим необходима малая мощность от источника сигнала в цепи затвора для управления током стока.

Управление толщиной канала осуществляется напряжением U_зи, т.е. электрическим полем, возникающем в запирающем слое, без осуществления инжекции носителей. Поэтому такие транзисторы называются полевыми.

При прямом включении управляющего p-n перехода возникает относительно большой прямой ток затвора и сопротивление участка затвор -- исток резко уменьшается, поэтому нецелесообразно применять на практике такое включение.

При увеличении обратного напряжения на затворе запирающий слой p-n перехода расширяется, уменьшая сечение канала. При некотором напряжении на затворе может произойти перекрытие.

Напряжение между затвором и истоком, при котором канал перекрывается, а его сопротивление стремится к бесконечности и ток стока достигает заданного низкого значения, называют напряжением отсечки U_{зи отс}. При приложении U_{зи отс} транзистор должен закрываться полностью, но из-за наличия малых токов утечки U_{зи отс} определяется при заданном малом значении I_с. В справочнике на каждый транзистор указывается ток стока, при котором измерено U_{зи отс}.

Статические характеристики. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом описывается тремя статическими характеристиками:

выходными (стоковые) характеристиками I_с=f(U_си) при U_зи=const;

сток-затворными характеристиками (характеристики передачи) I_с=f(U_зи) при U_си=const;

входными (затворные) характеристиками I_з=f(U_зи) при U_си=const;

Вид статических стоковых характеристик представлен на рис.4.2.

Рис. 4.2. Выходные (стоковые) статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом

Рассмотрим стоковую характеристику транзистора с каналом n-типа.

На стоковых характеристиках можно выделить две рабочие области: АВ и ВD (рис.4.2). Область АВ называют крутой областью характеристики, область ВD -- пологой или областью насыщения. При малых значениях U_си ток стока изменяется прямо пропорционально изменениям напряжения (участок АВ). Наклон этого участка соответствует полностью открытому каналу и прямо пропорционален его проводимости. С увеличением U_си (точка В) на росте I_с начинает сказываться сужение канала, которое приводит к уменьшению его проводимости, и характеристика отклоняется от прямой линии.

При подаче на затвор обратного напряжения и при увеличении этого напряжения по абсолютному значению уменьшается начальное поперечное сечение канала. Это приводит к изменению наклона начальных участков стоковых характеристик, что соответствует большим начальным статическим сопротивлениям канала.

Геометрическое место точек, соответствующих условному перекрытию канала и наступлению режима насыщения, показано штрихпунктирной линией (рис.4.2).

В крутой области стоковых характеристик транзистор можно использовать как электрически управляемое сопротивление. Пологий участок характеристик является рабочим при применении транзистора в усилительных устройствах.

При увеличении обратного напряжения на p-n переходе уменьшается сечение канала, что приводит к уменьшению тока стока. При = через канал протекает обратный ток стока малой величины, и это может быть использовано для ориентировочного определения напряжения отсечки.

Характеристика передачи может быть получена экспериментально или с помощью перестройки стоковых характеристик.

Входная (затворная) характеристика полевого транзистора с управляющим p-n переходом (рис.4.4) представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики p-n перехода. Изменение напряжения влияет на распределение поля в канале, что вызывает изменения тока затвора. Наибольшего своего значения, которое называется током утечки, ток затвора достигает при условии короткого замыкания выводов истока и стока, однако оно очень мало и им часто пренебрегают.

4.2 Полевые транзисторы с изолированным затвором

У транзисторов с изолированным затвором между металлическим затвором и областью полупроводника находится слой диэлектрика.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом. Упрощенная структура МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис.4.5.

Основой транзистора является подложка, в качестве которой используется кремниевая пластинка с проводимостью n- или p-типа с относительно высоким удельным сопротивлением. На поверхности подложки методом диффузии создаются две сильнолегированные области, не имеющие между собой электрического соединения, с противоположным относительно подложки типом электропроводности. На этих областях осаждают внешние омические контакты, которые служат истоком и стоком. Структура транзистора обратима -- сток и исток можно менять местами. Оставшаяся поверхность пластинки покрывается слоем. На слой диэлектрика между истоком и стоком наносится металлический электрод, выполняющий роль затвора. Если между стоком и истоком прикладывается внешнее напряжение U_си, то в цепи стока протекает малый обратный ток p-n перехода между подложкой и областью стока.

При подаче на затвор положительного относительно истока напряжения электрическое поле затвора через диэлектрик проникает на некоторую глубину в приконтактный слой полупроводника, выталкивая из него в глубь полупроводника основные носители заряда (дырки) и притягивая электроны к поверхности. При увеличении положительного напряжения на затворе в приконтактном поверхностном слое полупроводника происходит смена (инверсия) электропроводности (рис.4.6).

Образуется тонкий инверсный слой (канал), соединяющий сток с истоком. Напряжение на затворе, при котором индуцируется канал, называется пороговым напряжением. При его изменении изменяются толщина и электропроводность канала, а соответственно изменяется и ток стока. С удалением от поверхности полупроводника концентрация электронов уменьшается, а на глубине, равной толщине канала, электропроводность становится собственной. Затем идет участок, обедненный основными носителями заряда (p-n переход). Он изолирует сток, исток и канал от подложки.

На вывод подложки относительно истока можно подавать напряжение U_пи, полярность которого противоположна проводимости подложки, что приводит к изменению числа носителей в канале.

Прямое включение перехода исток -- подложка недопустимо, ибо в цепи дополнительного управляющего электрода появляется большой ток. В транзисторах, не имеющих вывода подложки, последняя электрически соединена с истоком.

Режим работы полевого транзистора, при котором канал обогащается носителями при увеличении абсолютного значения напряжения на затворе, называется режимом обогащения, а транзисторы с индуцированным каналом называются транзисторами обогащенного типа.

Транзисторы с p-каналом имеют противоположную полярность внешних напряжений U_зи, U_си по сравнению с транзисторами с n-каналом.

Статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом. На рис.4.7 представлено семейство статических выходных (стоковых) характеристик I_с=f(U_си) при U_зи=const:

|U_зи|?|U_{зи пор}|

При увеличении внешнего напряжения U_си и U_зи до значений больше порогового, в цепи сток -- исток протекает электрический ток. От истока через канал к стоку должны двигаться электроны, поэтому плюс внешнего источника подключается к стоку.

При малых напряжениях U_си и U_зи ток стока изменяется прямо пропорционально напряжению (участок АБ). С увеличением напряжения U_си ширина канала уменьшается вследствие падения на нем напряжения. Уменьшение поперечного сечения канала при увеличении тока стока происходит около стока.

Из-за заметного сужения стокового участка канала характеристика отклоняется от прямой на участке БВ. При напряжении U_{си нас}=U_зи-U_{зи пор} напряжение на затворе относительно стокового участка канала становится равным пороговому значению, что приводит к уменьшению ширины канала возле стока, повышению его сопротивления и ограничению тока стока I_с=I_{с нас}. В транзисторе наступает режим насыщения и при дальнейшем увеличении напряжения U_си ток стока меняется незначительно.

Рис. 4.7. Семейство статических выходных (стоковых) характеристик МДП-транзистора с индуцированным каналом

При увеличении напряжения на затворе (по абсолютному значению) выходные статические характеристики смещаются в область больших токов стока.

Выходные характеристики МДП-транзистора аналогичны характеристикам полевых транзисторов с управляющим p-n переходом. В крутой области характеристики (участок АБ на рис.4.7) транзистор работает как электрически управляемое сопротивление, а пологая часть используется при построении усилительных каскадов.

На рис.4.8 представлена статическая характеристика передачи: I_с=f(U_зи) при U_си=const. Эта характеристика определяется для режима насыщения и описывается зависимостью (4.4).

Отсутствие тока стока при нулевом напряжении на затворе, а также одинаковая полярность напряжения на затворе и стоке у МДП-транзисторов с индуцированным каналом служат основой для построения высокоэкономичных импульсных схем.

При использовании подложки в качестве управляющего электрода целесообразно рассматривать выходные характеристики I_с=f(U_си) при различных напряжениях подложка - исток при при U_пи=const (рис.4.9).

Семейство сток-затворных характеристик при разных напряжениях U_пи на подложке относительно истока показано на рис.4.10. Видно, что при изменении напряжения на подложке все точки характеристики смещаются параллельно оси абсцисс на ДU_пор. Пороговое напряжение U_{зи пор} существенно зависит от напряжения на подложке.

4.3 Полевые транзисторы со встроенным каналом

На стадии изготовления транзисторов между областями стока и истока создается тонкий слаболегированный слой (канал) с таким же типом электропроводности, что и указанные области (рис.4.11 а), их условное обозначение на рис. 4.11 б, в.

Рис. 4.11. Упрощенная структурная схема и условные обозначения МДП-транзистора со встроенным каналом

При нулевом напряжении на затворе и наличии внешнего напряжения между стоком и истоком протекает ток стока. Отрицательное напряжение, приложенное к затвору относительно истока и подложки, будет выталкивать электроны из канала, а в канал втягивать дырки из подложки; канал обедняется носителями. Толщина канала и его электропроводность уменьшается, что приводит к уменьшению тока стока. При некотором отрицательном напряжении на затворе, называемом напряжением отсечки

U_{зи отс} происходит инверсия типа электропроводности канала. Области истока и стока оказываются разделенными областью p-полупроводника.

Увеличение положительного напряжения на затворе МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа (рис.4.11 б) вызывает приток электронов в канал из подложки. Канал расширяется, обогащаясь носителями, сопротивление его уменьшается, а ток стока возрастает.

Режим работы полевого транзистора, при котором увеличение по абсолютной величине напряжения на затворе вызывает уменьшение тока стока, называется режимом обеднения.

Транзисторы со встроенным каналом работают как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения. Часто их называют транзисторами обедненного типа.

Статические характеристики транзистора со встроенным каналом. Отличие стоковых (выходных) характеристик МДП-транзистора со встроенным каналом от аналогичных характеристик транзисторов обогащенного типа заключается в том, что ток стока I_с существует как при положительном, так и при отрицательном напряжении на затворе (рис.4.12) и описывается аналитическими зависимостями (4.2), (4.3), как и транзисторы с управляющим p-n переходом.

Сток-затворная характеристика МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа показана на рис.4.13. При напряжении U_зи=0 в цепи стока протекает ток I_{с нас}. При подаче отрицательного напряжения на затвор канал сужается, обедняясь носителями, и уменьшается ток стока. При U_{зи отс} канал исчезает, происходит инверсия его электропроводности. С увеличением положительного напряжения на затворе канал расширяется, обогащается носителями, сопротивление его уменьшается, а ток стока увеличивается.

4.4 Схемы включения и параметры полевых транзисторов

В зависимости от того, какой из электродов полевого транзистора в усилительной схеме является общим для входной и выходной цепей, используются схемы с общим затвором (ОЗ), с общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее распространенной является схема с ОИ, аналогичная схеме включения биполярного транзистора с ОЭ. Схема с общим стоком (истоковый повторитель) аналогична эмиттерному повторителю.

На практике питание схем осуществляется от одного общего источника напряжения. При подаче питания на полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, для которых стоковое напряжение и напряжение на затворе должны быть разного знака, необходимое напряжение на затворе может быть создано с помощью цепочки автоматического смещения R_иС_и, включенной в цепь истока (рис.4.14).

У полевых транзисторов с индуцированным каналом, у которых стоковое напряжение и напряжение на затворе имеют одинаковую полярность, смещение на затвор подается обычно с помощью делителя напряжений R₁ и R₃ (рис.4.15).

Полевые транзисторы со встроенным каналом, так как они не нуждаются в дополнительном питании цепи затвора по постоянному току, могут работать при смещении U_зи=0, что выгодно отличает их от других усилительных приборов.

При изменении температуры происходит изменение параметров и статических характеристик транзисторов. У полевых транзисторов с управляющим p-n переходом изменение температуры приводит к изменению контактной разности потенциалов, обратного тока через переход и подвижности носителей.

Все это приводит к увеличению эффективного сечения канала и увеличению тока стока.

С ростом температуры подвижность носителей и удельная проводимость канала уменьшаются, что способствует уменьшению тока стока. При достижении определенного значения U_зи происходит полная взаимная компенсация противоположно действующих факторов и ток стока в этом режиме оказывается практически не зависящим от температуры. Точка на сток-затворных характеристиках, в которой ток стока не зависит от температуры, называется термостабильной (см. рис.4.16).

У полевого транзистора с управляющим p-n переходом точка температурной компенсации тока стока отстоит от напряжения отсечки приблизительно на 0,6 В для p-канала и ? 0,8 В для n-канала. Значение максимального тока стока у таких транзисторов в термостабильной точке лежит в пределах 0,1...1 мА.

При изменении температуры у полевых транзисторов с управляющим p-n переходом резко возрастает ток затвора, что приводит к изменению входного сопротивления, которое необходимо учитывать при больших сопротивлениях в цепи затвора.

У МДП-транзисторов также имеется термостабильная рабочая точка (рис.4.17), в которой ток стока мало зависит от температуры. С ростом температуры уменьшается подвижность носителей заряда, что приводит к увеличению сопротивления канала и уменьшению тока стока. Кроме того, с ростом температуры возрастает ионизация поверхностных состояний подзатворного полупроводника, что приводит к увеличению тока стока и уменьшению напряжения отсечки. При определенном значении тока стока оба эти фактора уравновешивают друг друга и ток стока практически не зависит от изменения температуры. Для разных МДП-транзисторов значение тока стока в термостабильной точке находится в пределах 0,05...0,5 мА.

Y-параметры. Полевой транзистор, работающий в режиме малого сигнала, так же как и биполярный транзистор, можно представить в виде линейного четырехполюсника (рис.4.18).

Наличие большого входного сопротивления у полевых транзисторов позволяет удобно их описывать с помощью y-параметров. Для схемы с ОИ в качестве независимых переменных принимают и , а зависимые величины -- , ; тогда транзистор описывается следующей системой уравнений:

; (4.1)

А в системе y-параметров

; (4.2)

Отсюда y-параметры в режиме КЗ по переменному току на входе и выходе определяются выражениями

-- входная проводимость; (4.3)

-- проводимость обратной передачи, при (4.4)

стремится к нулю;

-- проводимость прямой передачи (крутизна (4.5)

характеристики прямой передачи), определяет наклон данной характеристики в любой точке.

-- выходная проводимость, вместо которой на (4.6)

практике часто используется обратная величина

, называемая внутренним (дифференциальным) сопротивлением транзистора.

Параметры , , можно определить по статическим характеристикам.

На выходных (стоковых) характеристиках (рис.4.19) через выбранную рабочую точку О, которой соответствуют значения , , , проводят прямую, параллельную оси токов, до пересечения со следующей характеристикой в точке В, имеющей координаты , , . Значение крутизны рассчитывается по формуле

(4.7)

Дифференциальное сопротивление более полно отражает зависимость тока стока от напряжения на пологом участке стоковой характеристики. Оно определяется в рабочей точке О по приращению тока стока, соответствующему приращению напряжения :

(4.8)

Возрастание тока стока при увеличении в пологой части характеристики обусловлено эффектом модуляции длины канала. С увеличением стоковый p-n переход смещается в обратном направлении, что приводит к расширению перехода и уменьшению длины канала. Уменьшение длины канала приводит к уменьшению его сопротивления и возрастанию тока стока.

Для оценки потенциальных возможностей полевого транзистора как усилительного элемента вводят параметр, называемый статическим коэффициентом усиления по напряжению:

(4.9)

который показывает, во сколько раз эффективнее изменение напряжения на затворе воздействует на ток стока, чем изменение напряжения на стоке.

Так как в диапазоне допустимых рабочих напряжений статические выходные характеристики не пересекаются и не выполняется условие , то µ рассчитывается по найденным значениям и :

(4.10)

Поскольку характеристики полевых транзисторов нелинейны, значения дифференциальных параметров зависят от выбранного режима по постоянному току.

Входное сопротивление полевых транзисторов с управляющим p-n переходом определяется величиной обратного тока перехода, а у МДП-транзисторов -- током утечки изолирующей пленки диэлектрика.

Для МДП-транзисторов значение входного сопротивления лежит в пределах 10¹²...10¹⁵ Ом. Из-за влияния статического электрического заряда на практике не удается реализовать большое значение входного сопротивления. Кроме больших внешних напряжений, подаваемых на затвор, большие значения напряженности электрического поля часто возникают за счет обычных внутренних зарядов в диэлектрике. Поэтому не рекомендуется использовать и хранить МДП-транзисторы с неподключенным затвором. Завод-изготовитель выпускает МДП-транзисторы со специальным закорачивающим приспособлением (все выводы транзистора замкнуты между собой), что способствует стеканию зарядов диэлектрика, и МДП-транзистор не испытывает действия статического электричества.

Для устранения опасного предела электрического заряда в диэлектрике и для получения больших входных сопротивлений в МДП-транзисторах используются защитные диоды, включенные в цепь затвор -- исток (рис.4.20).

В качестве защитных диодов часто используются стабилитроны. При превышении напряжения на затворе больше пробивного напряжения одного из диодов электрический заряд, накопленный в диэлектрике, отводится через защитные диоды на землю. В связи с этим электрический заряд в диэлектрике МДП-транзисторов не превышает величины, при которой может произойти пробой изолирующей пленки диэлектрика, что обычно МДП-транзистора от приводит к выходу транзистора из строя. Наличие защитных диодов незначительно уменьшает входное сопротивление транзистора (за счет обратных токов диодов), а характеристики транзистора остаются неизменными.

Рис. 4.20. Схема защиты транзистора от статического электричества

Для повышения функциональных возможностей МДП-транзисторов промышленностью выпускаются транзисторы с двумя изолированными затворами (например, КП 306, КП 350). Статические характеристики этих транзисторов аналогичны характеристикам однозатворных транзисторов, только количество их больше, так как они строятся для напряжения каждого затвора при неизменном напряжении на другом затворе. Эти транзисторы характеризуются крутизной по первому и второму затвору, напряжениями отсечки первого и второго затворов.

4.5 Эквивалентная схема и частотные свойства полевых транзисторов

При анализе электронных схем на полевых транзисторах удобно их представить в виде схемы замещения с сосредоточенными параметрами. Исходя из принципа действия транзистора, ясно, что электропроводность канала и напряжение на его участках зависят от продольной координаты в пространстве исток -- сток. Поэтому полевой транзистор является устройством с распределенными параметрами. Однако для упрощения анализа его с некоторыми допущениями представляют в виде эквивалентной схемы с сосредоточенными параметрами. На рис. 4.21 представлена упрощенная физическая малосигнальная эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с общим истоком, а подложка соединена с истоком.

Рис. 4.21. Упрощенная эквивалентная схема полевого транзистора

В этой схеме резистор R_i характеризует внутреннее дифференциальное сопротивление транзистора, а конденсаторы характеризуют следующие емкости: С_зи -- емкость между затвором и истоком; С_зс -- емкость между затвором и стоком; С_си -- емкость между стоком и истоком (подложкой). Генератор тока SU_зи отражает усилительные свойства транзистора. Ток этого генератора пропорционален входному напряжению U_зи.

Инерционные свойства полевых транзисторов зависят от скорости движения носителей заряда в канале и межэлектродных емкостей. В связи с этим, крутизна характеристики прямой передачи с ростом частоты f уменьшается по закону

(4.11)

Частоту , на которой крутизна характеристики прямой передачи уменьшается в раз по сравнению со своим значением на низкой частоте, называют предельной частотой крутизны.

С ростом частоты модуль крутизны (4.13) уменьшается, что приводит к снижению коэффициента усиления. Частота, на которой модуль коэффициента усиления по напряжению равен единице, называют граничной частотой, и она определяется по формуле

(4.12)

где ; -- входная емкость следующей схемы (нагрузки) и емкость соединительных проводников.

Частота, где коэффициент усиления по мощности равен единице, называют максимальной частотой .

Размещено на Allbest.ru