151613 (Транзисторы), страница 4

Пусть напряжение между затвором и истоком U_зи = 0. При увеличении положительного напряжения U_си на стоке ток I_с будет нарастать. Вначале зависимость I_c = f(U_c) будет почти линейной. Однако с возрастанием I_с увеличивается падение напряжения на канале (U_с = I_c R_к, где R_к – сопротивление канала). Это напряжение распределяется вдоль канала: вблизи истока оно равно нулю, а вблизи стока – максимальной величине. На р-n переходе, несмотря на нулевой потенциал затвора, появляется обратное смещающее напряжение, величина которого нарастает по направлению к истоку, что ведет к сужению сечения токопроводящего канала и замедляет рост тока I_с. В конечном итоге, при дальнейшем росте стока, у стокового конца канал сужается настолько, что дальнейшее повышение напряжения уже не приводит к росту I_с. Этот режим получил наименование название режима насыщения, а напряжение U_c, при котором происходит насыщение, называется напряжением насыщения (U_{с. нас}).

При подаче на затвор обратного напряжения (для ПТ с каналом п типа, как указывалось ранее, оно будет отрицательным по отношению к истоку) канал изначально будет сужен. Поэтому начальный участок зависимости I_c = f(U_c) пойдет с меньшим наклоном и насыщение наступит при меньших токах стока.

Напряжение насыщения равно U_{си нас} = U_зи – U_{зи отс}, где U_{зи отс} – напряжение отсечки, управляющее напряжение, при котором I_с = 0 (режим отсечки), а U_зи – управляющее напряжение, соответствующее рассматриваемой ВАХ транзистора.

При дальнейшем увеличении выходного напряжения ток I_с практически остается неизменным вплоть до пробивного напряжения U_{си проб}. Как видно из рисунка.2.11,а с уменьшением напряжения U_зи пробивное напряжение транзистора U_{си проб} уменьшается. При этом (с учетом знака U_зи) всегда выполняется равенство

(2.23)

При входном напряжении U_зи = U_{зи отс}, соответствующем обратному напряжению на p-n переходе (затвор–исток) при котором токопроводящий канал транзистора будет полностью перекрыт, выходной ток I_с транзистора будет равен нулю (рисунок 2.11,б).

При U_зи > U_{зи отс} в токопроводящем канале появляется проток и по нему от стока к истоку начинает протекать ток I_с. Зависимость I_с = F(U_зи) при U_c – const получила название стокозатворной характеристики. Выходные характеристики ПТ также часто называют стокостоковыми или, просто, стоковыми.

Полевые транзисторы с изолированным затвором имеют структуру металл–диэлектрик (окисел)–полупроводник. Поэтому, их часто называют МДП- или МОП-транзисторами.

На рисунке 2.11 приведены схематические изображения конструкций таких транзисторов с каналами п типов. Основой прибора служит пластинка (подложка) монокристаллического кремния р типа. Области истока и стока представляют собой участки кремния, сильно легированные примесью n типа³.

Расстояние между истоком и стоком примерно 1 мкм. На этом участке (рисунок 2.11,а) расположена узкая слабо легированная полоска кремния п типа (канал). Затвором служит металлическая пластинка, изолированная от канала тонким слоем диэлектрика (толщиной долей микрометра). В качестве диэлектрика наиболее часто используют пленка двуокиси кремния, образованная из материала подложки при высокой температуре. В последнее время в качестве диэлектрика применяют другие материалы, например, нитрид кремния.

Рисунок 2.12. Схематическое изображение ПТ с изолированным затвором

Электрическое поле, возникающее от напряжения, приложенного к затвору, поникает в поверхностный слой подложки. В зависимости от полярности этого напряжения в канал может либо притягиваться, либо выталкиваться часть основных носителей заряда канала (на приведенном рисунке это электроны). При отрицательном напряжении на затворе электроны проводимости выталкиваются из области канала в объем полупроводника подложки. При этом канал обедняется носителями заряда, что ведет к уменьшению тока в канале. Положительное напряжение на затворе способствует втягиванию электронов проводимости из подложки в канал. В этом режиме, получившем название режима обогащения, ток канала возрастает.

Рисунок 2.12. Передаточная (а) и выходная (б) ВАХ МДП-транзистора со встроенным n каналом

Таким образом, в отличие от полевого транзистора с р-п переходами транзистор с изолированным затвором может работать с нулевым, отрицательным или положительным напряжением на затворе (рисунок 2.12,а). Управляющее напряжение на затворе, при котором I_с = 0, также как у ПТ с управляющим р-п переходом, называется напряжением отсечки.

Выходные характеристики полевого транзистора с изолированным затвором (рисунок 2.12,б) имеют такой же вид, как и характеристики транзистора с р-п переходами. Различие заключается лишь в том, что транзисторы с р-п переходом могут работать только в режиме обеднения (сужения) канала, а транзисторы типа МДП (или МОП) работают как в режиме обеднения (при отрицательных напряжениях на затворе), так и в режиме обогащения (при положительных напряжениях на затворе).

Рассмотренный тип ПТ с изолированным затвором получил наименование МДП (или МОП) транзисторов со встроенным каналом. Канал у него был введен (встроен) в процессе изготовления. Если же между зонами п⁺ под истоком и стоком отсутствует канал, то при нулевом потенциале на затворе на пути от истока к стоку окажутся два встречно включенных p-n перехода. Поэтому при подаче напряжения между стоком и истоком любой полярности выходной ток I_с окажется ничтожно мал (примерно равен обратному току p-n перехода). Если к затвору приложить небольшое положительное напряжение U_зи, то под действием поля из подложки к поверхности начнут притягиваться электроны дырки, а дырки – выталкиваться в глубину. При определенном положительном напряжении (U_{зи пор}), которое получило наименование порогового, в подложке под затвором образуется обогащенный электронами поверхностный слой, который замкнет области под стоком и истоком. Последующее повышение напряжения на затворе приведет к тому, что по образовавшемуся каналу потечет ток стока. Такой тип ПТ с изолированным затвором носит наименование МДП (или МОП) транзисторов с индуцированным каналом.

Рисунок 2.12. Передаточные (а) и выходные (б) ВАХ МДП-транзистора с индуцированным каналом

Напряжение на затворе, при котором возникает токопроводящий канал, называется пороговым (U_{зи пор}). Если выбрать подложку n типа, а области истока и стока сделать р⁺ типа, то получится МДП-транзистор с индуцированным р каналом.

Передаточные и выходные ВАХ для МДП-транзистора при включении с ОИ приведены на рисунке 2.12. Выходные характеристики приведены только для индуцированного канала n типа. На графике стокозатворной характеристике показан ход зависимости для МДП-транзисторов с индуцированным каналом р типа. При этом учтено, что направление тока стока для такого транзистора будет противоположным направлению тока у МДП-транзисторов с индуцированным каналом п типа.

Температурные свойства полевых транзисторов. Как ранее было отмечено, что ток полевых транзисторов обусловлен перемещением носителей заряда канала, т.е. он определяется концентрацией основных носителей. Однако известно, что концентрация основных носителей в полупроводнике почти не зависит от температуры, обусловливается концентрацией примесей. Поэтому и свойства ПТ слабо изменяются с изменением температуры.

От температуры зависят напряжение отсечки и пороговое напряжение. Это обусловлено действием в ПТ двух противоположных механизмов, происходящих при изменении температуры.

У полевого транзистора с управляющим p-n переходом при повышении температуры окружающей среды растет собственное сопротивление полупроводникового материала, что приводит к уменьшению тока стока. Этот эффект особенно сильно проявляется при больших токах стока. Однако увеличение температуры ведет к уменьшению толщины p-n перехода, что расширяет канал. Последнее вызывает увеличение тока стока, что особенно заметно при малых его значениях. Поэтому при увеличении температуры стокозатворная (передаточная) характеристика становится более пологой, а напряжение отсечки увеличивается. При некоторых значениях тока стока оба фактора компенсируют друг друга и величина тока стока не зависит от изменения температуры.

Для МДП-транзистора с увеличением температуры также характерно уменьшение тока стока, что объясняется ростом собственного сопротивления полупроводника. В то же время увеличение температуры ведет к увеличению числа пар электрон – дырка в канале, т.е. к увеличению концентрации носителей заряда. Это способствует росту тока стока, особенно при небольших его значениях. Следовательно, и в МДП-транзисторе существуют две противоположные тенденции, которые приводят к изменениям передаточной характеристики, наблюдаемым и у ПТ с управляющим переходом (рисунок 2.13).

Рисунок 2.13. Зависимость передаточных характеристик полевого транзистора от температуры

Следствием этого является наличие на передаточной характеристике прибора точки (H на рисунке), для которой ток стока не зависит от изменения температуры окружающей среды.

Основными параметрами полевых, транзисторов являются:

Крутизна характеристики:

(2.24)

Этот параметр характеризует эффективность управляющего действия затвора.

Выходное сопротивление R_вых (определяется в режиме насыщения):

(2.25)

Выходное сопротивление характеризуется тангенсом угла наклона выходных характеристик. В рабочей области этот угол близок к нулю и, следовательно, выходное сопротивление оказывается достаточно большим (сотни килоом).

Статический коэффициент усиления:

(2.26)

Эти параметры связаны между собой соотношением:

(2.27)