L_5 (Конспекты лекций)

1ЛЕКЦИЯ № 5.ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ В СТАТИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ1. Введение2. Классификация полевых транзисторов.2.1. Полевые транзисторы с объёмным каналом (с управляющим p-nпереходом): условное схемное изображение, принцип действия, ВАХ, параметры.2.2. Полевые транзисторы с приповерхностным каналом (транзисторы сизолированным затвором ─ МОП-транзисторы): разновидности, условноесхемное изображение, принцип действия, ВАХ, параметры. Эффект Миллера.3. Математические модели полевых транзисторов.4.

Теоретическое обобщение по теме.1. ВведениеИдея полевого транзистора с изолированным затвором была предложенаЛилиенфельдом в 1926—1928 годах. Однако объективные трудности в реализации этой конструкции позволили создать первый работающий прибор этого типатолько в 1960 году.В 1953 году Дейки и Росс предложили и реализовали другую конструкциюполевого транзистора — с управляющим p-n-переходом.Наконец, третья конструкция полевых транзисторов —транзисторов сбарьером Шоттки — была предложена и реализована Мидом в 1966 году.В полевых транзисторах, в отличие от биполярных, в образовании тока участвуют носители зарядов одного знака: или дырки (p-канал), или электроны (nканал). Отсюда ещё одно название полевых транзисторов ─ униполярные.

Поэтому в полевых транзисторах отсутствуют процессы накопления и рассасывания объёмного заряда неосновных носителей. Основным видом движения носителей заряда является дрейф в электрическом поле. Работой биполярного транзистора управляет входной ток, а полевого ─ входное напряжение. Следовательно, мощность, которая требуется для управления полевым транзистором, будетменьше, чем для биполярного транзистора: управление электрическим полем гарантирует отсутствие входных токов, а потому ─ большое входное сопротивление, высокую нагрузочную способность полевого транзистора в ключевом режиме.2Проводящий слой, в котором возникает и движется электрический ток, называется каналом.

Каналы могут быть приповерхностными и объемными. Втранзисторах с приповерхностным каналом затвор отделен от канала слоемдиэлектрика (МДП или МОП-транзисторы, так как в качестве диэлектрикачаще используют SiO 2 ), а при объемном канале − обеднённым слоем, которыйсоздается с помощью электронно-дырочного p-n-перехода.Управляющий электрод в полевом транзисторе, напряжение которого создаёт эффект поперечного электрического поля, называется затвором. Два другихэлектрода взаимно обратимы и называются стоком и истоком.Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком, следовательно, проводимость канала и ток в канале будут зависеть от уровня напряжения на этом участке (U зи ). Максимальное сечение канала в транзисторах собъёмным каналом получается при напряжении на затворе, равном нулю.

Сопротивление канала при этом будет минимальным, а крутизна и ток стока ─ максимальными.2. Классификация полевых транзисторов.По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы. Первую образуют транзисторы с управляющим р-n переходом или переходом металл — полупроводник (барьер Шоттки), вторую —транзисторы с управлением посредством изолированного электрода (затвора).2.1.

Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом: канал отделён отзатвора обеднённым носителями p-n-переходом.2.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором (МОП-транзисторы):канал отделён от затвора слоем диэлектрика.2.2.1. Полевые МОП-транзисторы с индуцированным каналом.2.2.2. Полевые МОП-транзисторы со встроенным каналом.2.1. Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом (с объёмнымканалом).Сущность процессов, связанных с образованием канала в полевом транзисторе с управляющим электронно-дырочным p-n-переходом, при изменении напряжения на переходе можно схематично представить так, как это изображено нарис.5.13Рис.5.1. Схематичное изображение образования каналаС целью увеличения глубины модуляции канала сплавной переход выполнен в виде кольца, охватывающего канал, в результате чего переход образует диафрагму, диаметр отверстия которого изменяется в такт с изменениемнапряжения на переходе.

Диафрагма − это и есть канал у полевого транзистора(отсюда и появилось название у этого типа транзисторов − канальные).На рис.5.2. представлены: модель полевого транзистора, условное схемноеизображение транзистора с n- и p-каналами-(рис.5.2«б» и «в» соответственно).Электронно-дырочный p-n-переход почти лишён носителей, поэтомусчитаем, что его проводимость практически равна нулю. Ширина p-n-переходаопределяет величину сечения токопроводящего канала. Чтобы эффективнееуправлять сечением канала, p-n-переход делают резко ассиметричным(рис.5.2а).СтокЗатвор+p-n-переход IcI зио+PnевхЕз-I зиоRс+ Ес-Истокб).СтокЗатвор+а).Истокв).4Рис.5.2.Электронно-дырочный p-n-переход находится в обратносмещенном состоянии, и в цепи затвора течет лишь ток неосновных носителей I зио .

В маломощныхполевых транзисторах ток I зио настолько мал, что им пренебрегают, но в мощныхтранзисторах и в диапазоне высоких частот влияние этого тока возрастает и сним приходится считаться. Для кремниевых p-n-переходов обратный ток составляет менее 10 ─11 А, и, таким образом, усиление мощности обеспечивается малойвеличиной входного тока.Работа такого транзистора основана на изменении сопротивления канала засчет изменения ширины p-n-перехода под действием напряжения, приложенногок затвору. При полном перекрытии канала ток через транзистор прекращается. Вэтом случае напряжение на затворе называется напряжением отсечки (рис.5.3а).мАIc3S = Sмаксn-канал-UзиUотсIсС 0В- 0,5 ВВp-канал2Uзи0Uотс-1ВUзи= - 1,5 В1А4 D81216 ЕсUсиВа).б).Рис.5.3. ВАХ полевого транзистора с управляющим p-n—переходом: а ─ стокозатвонаяВАХ для n- и p- канала; б ─ стоковые ВАХ транзистора с n-каналом.Канальные транзисторы работают строго при одной полярности входногосигнала: при смене полярности напряжения на затворе p-n-переход приходит впрямосмещенное состояние, что приводит к возникновению инжекции, крометого, резко уменьшается входное сопротивление транзистора, во входной цепиможет пойти недопустимо большой ток.

Транзистор выходит из строя. В процес-5се эксплуатации канальных транзисторов об этом следует помнить и не допускать перехода транзистора из режима обеднения в режим обогащения.На рис.5.3б представлены стоковые ВАХ полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. На ВАХ просматриваются два участка ─ крутой (АВ) ипологий (ВС). На крутом участке ВАХ ток стока является функцией напряженийи на затворе, и на стоке. В пределах этого участка полевой транзистор можно использовать в качестве регулируемого сопротивления; транзистор при этом ставятв режим двухполюсника.

Крутой участок ВАХ используется в ключевых схемах.Когда напряжение на стоке станет равным U си = U зи − U отс, (тчк. D), зависимость тока стока от напряжения на стоке становится практически незаметной. Дело в том, что в этот момент заканчивается формирование горловины канала, и дальнейшее увеличение напряжения на стоке уравновешивается расширением запрещённой зоны вблизи стока и, следовательно, увеличением сопротивления канала. Транзистор переходит в область, которая названа областью насыщения, а напряжение на участке сток-исток ─ напряжением насыщенияU син . Соответственно и ток в цепи стока ─ ток насыщения. ВыражениеUси= U зи − U отсявляется уравнением границы между крутым и пологим уча-стками ВАХ (пунктир на рис.5.3б).

В области пологого участка ВАХ работаютлинейные усилители, стабилизаторы.Статические параметры транзистора с управляющим p-n-переходом1. Удельная крутизна ─ b.В отличии от обычного понятия крутизны (S), которая характеризует управляющие свойства затвора, удельная крутизна определяется геометрией транзистора4ξ 0ξ µ Zдb=3а L,мА / В2,(5.1)где ξ о − диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф / см;ξ д − диэлектрическая проницаемость диэлектрика (для SiO 2 значение ξ д =3,5);µ − приповерхностная подвижность носителей ( она в 2−3 раза меньше объемной), см2 / В×с;L − длина канала;6Z − ширина канала;a − расстояние от “дна” n-слоя до металлургической границы (мкм).Кроме того:Ib = макс , мА / В2U2отсКвадратичнаяаппроксимациятокастока(5.2.)напологихучасткахI = b(U от с − U зи) 2 , отражает линейную зависимость крутизны от напряжениясна затворе, что является одной из отличительных черт полевых транзисторов.Крутизна транзистора в пологой области определяется выражениемS = 2b(U от с − U зи).(5.3)При работе на крутом участке ВАХ ток стока является функцией напряжений на затворе и на стоке2 ].I = b[2(U зи − U отс) U си − U сиc(5.4)2.

Крутизна S характеризует управляющее действие затвора на ток стокаS=∆I∆Uс приU си = constзи(5.5)3. Дифференциальное (внутреннее) сопротивление канала характеризуетсянаклоном характеристик при полностью открытом канале, когда U зи =0.∆Uси (Ом)R =i∆IсприU зи = const.(5.6)Дифференциальное сопротивление канала − это фактически выходное сопротивление транзистора (определяется в режиме насыщения);Значение этого параметра особенно важно для случаев в качестве регулируемого сопротивления, в этом случае транзистор работает на крутом участкеВАХ;4. Статический коэффициент усиления по напряжениюµстат=−∆Uси при = const.Iс∆Uзи(5.7)Коэффициент µ стат показывает, во сколько раз управляющие свойства затвора сильнее, чем у стока.

Знак минус говорит лишь о том, что для поддержанияпостоянного тока через транзистор напряжения на затворе и на стоке должныбыть противоположными по знаку;7При определении статических параметров полевого транзистора по ВАХформулой (4.7) воспользоваться будет невозможно: две параллельные линии непересекаются. Поэтому, при определении параметра «µ стат » лучше воспользоваться внутренним уравнением транзистора в статическом режиме (5.8), которое объединяет в себе два важных параметра ─ S и R iµстат= S × Ri(5.8)5.

Статическое сопротивление транзистора по постоянной составляющейтока, Ом,UR = си (определяется в рабочей точке по ВАХ);оIc6. Входное сопротивление между затвором и истоком (определяется примаксимально допустимом напряжении между этими электродами):∆ U зи. махR =.вх∆ I з. махВходное сопротивление канального транзистора определяется обратным током p-n-перехода и составляет не более 1011 Ом.Основным достоинством транзисторов с объемным каналом перед МОПтранзисторами является почти полное отсутствие шумов и стабильность характеристик во времени. Единственным типом шума у них является тепловой шум.Температурные свойства полевого транзистора.При изменении температуры параметры и характеристики канальных транзисторов изменяются в связи с тем, что изменяются обратный ток через p-nпереход закрытого транзистора, контактная разность потенциалов p-n-перехода,удельное сопротивление канала, напряжение отсечки.Но температурные свойства полевых транзисторов заметно лучше, чем убиполярных, что можно объяснить следующим образом.Усилительные свойства полевого транзистора связаны с движением потокаосновных носителей заряда.

Концентрация основных носителей почти не зависитот температуры, поэтому и характеристики полевого транзистора меняются незначительно с изменением температуры.8Т1=200СIcТ2=600Сn-канал~ 0,6А-UзиUзиUотс(Т2) Uотс(Т1) UзиА)Рис. 5.4. Передаточная характеристика полевого транзистора с термостабильнойточкой на стокозатворной ВАХ (тчк. А)У полевых транзисторов температурный коэффициент положителен, поэтому ток стока при росте температуры уменьшается. При правильном выборе рабочей точки на ВАХ этот факт позволяет скомпенсировать изменения тока стокапри изменении контактной разности потенциалов и удельного сопротивленияканала. В итоге ток стока будет поддерживаться почти постоянным в широкомдиапазоне температур, а рабочую точку при этом называют термостабильной(рис.