4 полевые транзисторы

4.1 Полевой транзистор с p-n переходом.

В полевых тран­зисторах, управление потоком основных носителей заряда осуществляется в области полупроводника, назы­ваемой каналом, путем изменения его поперечного сечения с помощью электрического поля. Полевой транзистор имеет следующие три электрода: исток, через который в n канал втекают ос­новные носители; сток, через который они вытекают из канала, и затвор, предназначенный для регулирования поперечного сечения канала. В настоящее время существует множество типов полевых транзисторов, которые в ряде устройств работают более эффективно, чем биполярные. Преимуществом полевых транзисторов является также и то, что ассортимент полупроводниковых материалов для их изготовления значительно шире (так как они работают только с основными носителями заряда), благодаря чему возможно создание, например, температуростойких приборов. Большое значение также имеют низкий уровень шумов и высокое входное сопротивление этих транзисторов. На рисунке 4.1 приведена схема включения полевого транзистора.

 Во входную цепь включен источник обратного смещения U_ЗИ на p-n переходе между затвором и каналом. Выходная цепь состоит из источника постоянного напряжения U_СИ плюсом соединенного к стоку. Исток является общей точкой схемы. Контакты истока и стока невыпрямляющие. Канал может иметь электропроводимость, как p-типа, так и n-типа; поскольку m_n>m_p выгоднее применять n-канал. Затвор выполняют в виде полупроводниковой области p⁺-типа.

Полевой транзистор работает следующим образом. При отсут­-

ствии напряжения на входе основные носители заряда - электроны под действием ускоряющего электрического ноля в канале (E = 10⁵Q10⁴ В/см) дрейфуют в направлении от истока к стоку, в то время как p-n переход для них заперт. Ток I_С, создаваемый этими электро­нами, определяется как напряжением стока U_СИ, так и сопротивле­нием канала. Последнее зависит от поперечного сечения канала, которое ограничивается p-n переходом (заштрихованная область). Поскольку потенциал электрического поля линейно возрастает от истока к стоку вдоль кана­ла, толщина p-n перехода минимальна вблизи истока и максималь­на вблизи стока, и канал сужается вдоль p-n перехода от стока к истоку. Таким образом, наибольшим сопротивлением канал обла­дает в наиболее узкой своей части.

Если в результате подачи к затвору переменного напряжения сигнала результирующее обратное напряжение на затворе U_ЗИ повысятся, то толщина p-n перехода по всей его длине увеличится, а площадь сечения канала и, следователь­но, ток в цепи стока уменьшаются. На рисунке 4.2,а изображена характеристика прямой передачи I_С =f(U_ЗИ). Указанный эффект будет тем сильнее, чем больше удельное сопротивление материала полупроводника, поэтому полевые транзисторы выполняют из высокоомного материала. При больших обратных напряжениях на затворе U_ЗИ0 сечение канала в его узкой части станет равным нулю и ток через канал прекратится. Такой режим называется режимом отсечки. Характеристика прямой передачи хорошо описывается формулой

  (3.40)

Па рисунке 4.2,б изображено семейство статических выходных характеристик I_С =f(U_СИ) при различных значениях напряжения затвора U_ЗИ. Каждая характеристика имеет два участка - омический (для малых U_СИ) и насыщения (для больших U_СИ). При U_ЗИ = 0 с увеличением напряже­ния U_С ток I_С вначале нарастает почти линейно, однако далее характеристика перестает подчиняться закону Ома; ток I_С начинает расти медленно, ибо его увеличение приводит к повышению падения напряжения в канале и потенциала вдоль канала. Вследствие этого увеличиваются толщина запирающего слоя и сопротивление канала, а также замедляется возрастание самого тока I_С. При напряжении насыщения U_СИ = U_ЗИ0 сечение канала приближается к нулю и рост I_С прекращается.

Следующая характеристика, снятая при некотором обратном напряжении затвора U^_ЗИ, когда запирающий слой имеет большую толщину при тех же значениях U_СИ, будет более пологой на начальном участке и насыщение наступит раньше (при меньших значениях U^_СИ=U_ЗИ0 -U^_ЗИ).

Температурная зависимость тока истока связана с изменением подвижности основных носителей, заряда в материале канала. Для кремниевых транзисторов крутизна S уменьшается с увеличе­нием температуры. Кроме того, с повышением температуры увели­чивается собственная проводимость полупроводника, возрастает входной ток I_З черед переход и, следовательно, уменьшается R_ВХ. У полевых кремниевых транзисторов с p-n переходом при комнатной температуре ток затвора порядка 1 нА. При увеличении температуры ток удваивается на каждые 10°С.

Особенность полевых транзисторов заключается в наличии у них термостабильной точки, т. е. точки, в которой ток стока прак­тически постоянен при различных температурах (рисунок 4.3). Это объясняется следующим образом.

При повышении температуры из-за уменьшения подвижности носителе удельная проводимость канала уменьшается, а следовательно, уменьшается и ток стока. Одновременно сокращается ширина p-n перехода, расширяется проводящая часть канала и увеличивается ток. Первое сказывается при больших токах стока, второе при малых. Эти два противоположных процесса при определенном выборе рабочей точки мо­гут взаимно компенсироваться. При правильном выборе ее положения основной причиной дрейфа тока стока может быть высокоомный резистор в цепи в зависимости от температуры будет из­меняться падение напряжения по входной цепи, которое изменит рабочий ток стока.

Основным параметрам, ис­пользуемым при расчете усилительного каскада с полевым транзистором, является статическая крутизна характеристики прямой передачи, т. е. отношение изменения тока стока к напряжению ме­жду затвором и истоком:

Рисунок 4.3 Зависимость характеристик прямой передачи от температуры.

Дифференциальное выходное сопротивление здесь опреде­ляется как

, Ом, .

Оно составляет, примерно десятки - сотни килоомов. Статиче­ский коэффициент усиления по напряжению m=DU_СИ/DU_ЗИ =S'R_i .

Определение параметров по характеристикам дано в [4].

Междуэлектродные емкости затвор-исток С_ЗИ за­твор-сток С_ЗС и сток-исток С_СИ. Для маломощных транзисторов С_ЗИ=3 пФ, С_ЗС=2 пФ и С_СИ=0,2 пФ.

Ток затвора во входной цепи триода I_З -обратный ток, созда­ваемый неосновными носителями через p-n переход, чрезвычайна мал (порядка 10^-9 А и менее). Поэтому входное сопротивление по­левого транзистора R_ВХ=DU_З/DI_З очень высокое (порядка несколь­ких мегомов), входная же емкость мала, так как переход нахо­дится под обратным напряжением. Этими качествами полевой транзистор выгодно отличается от биполярных транзисторов с дву­мя p-n переходами. При работе полевого транзистора на высоких частотах основное значение имеет емкость С_ЗИ. Максимальная ра­бочая частота определяется постоянной времени входной цепи f=1/2pRC_ЗИ, где R - сопротивление канала, через которое заря­жается емкость. Анализ показывает, что по частотным свойствам полевой транзистор не имеет особых преимуществ перед биполяр­ным. Практически были осуществлены полевые транзисторы с максимальной частотой генерации до 30 ГГц. Но с точки зрения бы­стродействия полевой транзистор превосходит биполярный, так как работает на основных носителях заряда при отсутствии их нако­пления.

В импульсном режиме чрезвычайно полезным достоинством по­левого транзистора является почти полное отсутствие остаточного напряжения и цепи канала во включенном состоянии. Закрытый полевой транзистор оказывает сопротивление постоянному току между стоком и истоком более 10⁸ Ом.

Полевые транзисторы с p-n переходом целесообразно приме­нять во входных устройствах усилителей при работе от высокоомного источника сигнала, в чувствительной по току измерительной аппаратуре, импульсных схемах, регуляторах уровня сигнала и т. п.

4.2 Полевой транзистор с изолированным затвором  (МДП-транзистор).

Этот транзистор имеет структуру металл - диэлектрик - полупроводник и может быть двух типов: с индуцированным каналом (рисунок 4.4,а) и с встроенным каналом (рисунок 4.4,б). Если осно­вой транзистора является кремний, то диэлектриком может быть слой окиси кремния, поэтому такую структуру иногда называют МОП-транзистор (металл - окисел - полу­проводник).

Транзистор с индуцированным каналом имеет обла­сти истока n⁺ и стока n⁺, которые выведены путем металлизации че­рез отверстие в окиси кремния на контакты - исток и сток. На слой двуокиси окиси кремния напыляют слой алюминия, служащий затво­ром. Можно считать, что алюминиевый затвор и полупроводниковый материал p-типа образуют плоский конденсатор с окисным диэлектри­ком, Если на металлическую часть затвора подать положительное на­пряжение, то положительный заряд обкладки затвора индуцирует соответствующий отрицательный заряд в полупроводниковой области кана­ла. С возрастанием положительно­го напряжения этот заряд, созданный притянутыми из глубины p-области проводника электронами, которые являются неосновными носителями, превращает поверхност­ны слой полупроводника p-типа в проводящий канал n-типа, со­единяющий исходные n⁺-области истока и стока. Поэтому умень­шается сопротивление материала между истоком и стоком, что ве­дет к увеличению тока стока. Таким образом, благодаря электро­статической индукции между истоком и стоком происходит инверсия типа проводимости полупроводника. Слой полупроводника p-типа превращается в полупроводник

n-типа. До инверсии сопротивление между истоком и стоком определяется сопротивлением закрытого перехода, так как до инверсии имеет место структура n⁺-р-n⁺. После инверсии образуется n-проводимость и струк­тура становится n⁺-n-n⁺. Меняя напряжение на затворе, можно уп­равлять током стока. Если взять подложку n-типа, то можно построить МДП-транзистор с индуцированным p-каналом, который управляется отрицательным напряжением на затворе.

Транзистор с встроенным каналом имеет конструкцию, подоб­ную предыдущей. Между истоком и стоком методом диффузии со­здают слаболегированный канал c проводимостью n^--типа при проводимости подложки p-типа. Возможно другое сочетание. Канал имеет проводимость p-типа, а подложка - проводимость n-типа. В отсутствие напряже­ния на затворе (рис. 2.91б) ток между истоком и стоком опреде­ляется сопротивлением n^--канала. При отрицательном напряжении на затворе концентрация носителей заряда и канале уменьшится и в нем появляется обедненный слой. Сопротивление между истоком и стоком увеличивается и ток уменьшается. При по­ложительном напряжении на затворе ток стока увеличивается, по­тому что в канале индуцируется дополнительный отрицательный заряд, увеличивающий его проводимость.

На рисунке 4.4 приведены характеристики прямой передачи МДП-транзисторов с индуцированным (кривая 2) и встроенным (кривая 1) каналами.

Из рисунка видна квадратичность передаточной характеристики. Теоретически характеристика прямой передачи опи­сывается следующим выражением:

 при . ( 3.41 )

Здесь А - постоянный коэффициент; U_{ЗИ ПОР} - напряжение, которое для транзистора с индуцированным каналом принято называть пороговым. Инверсия типа про­водимости начинается лишь при достижении напряжения U_ПОР.

Рисунок 4.4 Характеристики прямой передачи МДП ПТ.

Выходные характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа приведены на рисунке 4.5,а со встроенным ка­налом - на рисунке 4.5,б.

В области U_CИ < |U_ЗИ - U_{ЗИ ПОР} | теоретический ток стока

Лекция "6 Оборудование сборочных цехов" также может быть Вам полезна.

. ( 3.42 )

Уравнение (3.42) описыва­ет восходящие ветви выход­ной характеристики Входное сопротивление МДП-транзистора из-за нали­чия изолятора между затвором и каналом составляет около 10¹² - 10¹⁴ Ом и уменьшается с ростом частоты вследствие шунтирования входной емко­стью транзистора. Выходное сопротивление находится в пределах десятков - сотен килоомов. Входная и выходная емкости составляют единицы пикофарад, а проходная емкость -десятые доли пикофарад.