Montagpena.ru

Строительство и Монтаж
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Полевые транзисторы: типы, устройство, принцип и режимы работы, схемы включения, основные параметры, использование

Полевые транзисторы: типы, устройство, принцип и режимы работы, схемы включения, основные параметры, использование

shadow

Полевые транзисторы: типы, устройство, принцип и режимы работы, схемы включения, основные параметры, использование

Полевым транзистором (ПТ) называется полупроводниковый радиокомпонент, используемый для усиления электрического сигнала. В цифровых устройствах схемы на основе ПТ исполняют функции ключей, управляющих переключениями логических элементов. В последнем случае использование полевых транзисторов оказывается крайне выгодным с точки зрения миниатюризации аппаратуры. Это обусловлено тем, что для цепей управления этими радиокомпонентами требуются небольшие мощности, вследствие чего на одном кристалле полупроводниковой микросхемы можно размещать десятки тысяч транзисторов.

Полупроводниковым сырьём для изготовления полевых транзисторов являются следующие материалы:

  1. карбид кремния;
  2. арсенид галлия;
  3. нитрид галлия;
  4. фосфид индия.

Устройство и принцип работы полевого транзистора.

ПТ состоит из трёх элементов – истока, стока и затвора. Функции первых двух очевидны и состоят соответственно в генерировании и приёме носителей электрического заряда, то есть электронов или дырок. Предназначение затвора заключается в управлении током, протекающим через полевой транзистор. Таким образом, мы получаем классический триод с катодом, анодом и управляющим электродом.

В момент подачи напряжения на затвор возникает электрическое поле, изменяющее ширину p-n-переходов и влияющее на величину тока, который протекает от истока к стоку. При отсутствии управляющего напряжения ничто не препятствует потоку носителей заряда. С повышением управляющего напряжения канал, по которому движутся электроны или дырки, сужается, а при достижении некоего предельного значения закрывается вовсе, и ПТ входит в так называемый режим отсечки. Как раз это свойство полевых транзисторов и позволяет использовать их в качестве ключей.

Усилительные свойства радиокомпонента обусловлены тем, что мощный электрический ток, протекающий от истока к стоку, повторяет динамику напряжения, прикладываемого к затвору. Другими словами, с выхода усилителя снимается такой же по форме сигнал, что и на управляющем электроде, только гораздо более мощный.

Распространённые типы полевых транзисторов.

В настоящее время в радиоаппаратуре применяются ПТ двух основных типов – с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором. Опишем подробнее каждую модификацию.

1. Управляющий p-n-переход.

Управляющий p-n-переход полевого транзистора

Эти полевые транзисторы представляют собой удлинённый полупроводниковый кристалл, противоположные концы которого с металлическими выводами играют роль стока и истока. Функцию затвора исполняет небольшая область с обратной проводимостью, внедрённая в центральную часть кристалла. Так же, как сток и исток, затвор комплектуется металлическим выводом.

Электронно-дырочный p-n-переход в таких полевых транзисторах получил название управляющего, поскольку напрямую изменяет мощность потока носителей заряда, представляя собой физическое препятствие для электронов или дырок (в зависимости от типа проводимости основного кристалла).

2. Изолированный затвор.

Изолированный затвор полевого транзистора

Конструкция этих полевых транзисторов отличается от описанных выше ПТ с управляющим p-n-переходом. Здесь полупроводниковый кристалл играет роль подложки, в которую на некотором удалении друг от друга внедрены две области с обратной проводимостью. Это исток и сток соответственно. Функцию затвора исполняет металлический вывод, который отделяется от кристалла слоем диэлектрика и, таким образом, электрически с ним не контактирует.

Из-за того, что в конструкции этих полевых транзисторов используются три типа материалов – металл, диэлектрик и полупроводник, – данные радиокомпоненты часто именуют МДП-транзисторами. В элементах, которые формируются в кремниевых микросхемах планарно-эпитаксиальными методами, в качестве диэлектрического слоя используется оксид кремния, в связи с чем буква «Д» в аббревиатуре заменяется на «О», и такие компоненты получают название МОП-транзисторов.

Существует два вида этих полевых транзисторов – с индуцированным и встроенным каналом. В первых физический канал отсутствует и возникает только в результате воздействия электрического поля от затвора на подложку. Во вторых канал между истоком и стоком физически внедрён в подложку, и напряжение на затворе требуется не для формирования канала, а лишь для управления его характеристиками.

Схемотехническое преимущество ПТ с изолированным затвором перед транзисторами с управляющим p-n-переходом заключается в более высоком входном сопротивлении. Это расширяет возможности применения данных элементов. К примеру, они используются в высокоточных устройствах и прочей аппаратуре, критичной к электрическим режимам.

В силу конструктивных особенностей МОП-транзисторы чрезвычайно чувствительны к внешним электрическим полям. Это вынуждает соблюдать особые меры предосторожности при работе с этими радиодеталями. В частности, в процессе пайки необходимо использовать паяльную станцию с заземлением, а, кроме того, заземляться должен и человек, выполняющий пайку. Даже маломощное статическое электричество способно повредить полевой транзистор.

Схемы включения полевых транзисторов.

В зависимости от того, каким образом ПТ включается в усилительный каскад, существует три схемы – с общим истоком, с общим стоком и с общим затвором. Способы различаются тем, на какие электроды подаются питающие напряжения, и к каким цепям присоединяются источник сигнала и нагрузка.

Схема с общим истоком используется чаще всего, так как именно в этом случае достигается максимальное усиление входного сигнала. Способ включения ПТ с общим стоком используется, главным образом, в устройствах согласования, поскольку усиление здесь небольшое, но входной и выходной сигналы совпадают по фазе. И, наконец, схема с общим затвором находит применение, в основном, в высокочастотных усилителях. Полоса пропускания при таком включении полевого транзистора гораздо шире, чем при других схемах.

Читайте так же:
Регистр из профильной трубы своими руками

Полевой транзистор

Часть 2. Полевой транзистор с изолированным затвором MOSFET

Полевой транзистор с изолированным затвором – это транзистор, затвор которого электрически изолирован от проводящего канала полупроводника слоем диэлектрика. Благодаря этому, у транзистора очень высокое входное сопротивление (у некоторых моделей оно достигает 10 17 Ом).

Принцип работы этого типа полевого транзистора, как и полевого транзистора с управляющим PN-переходом, основан на влиянии внешнего электрического поля на проводимость прибора.

В соответствии со своей физической структурой, полевой транзистор с изолированным затвором носит название МОП-транзистор (Металл-Оксид-Полупроводник), или МДП-транзистор (Металл-Диэлектрик-Полупроводник). Международное название прибора – MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).

МДП-транзисторы делятся на два типа – со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В каждом из типов есть транзисторы с N–каналом и P-каналом.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом.

На основании (подложке) полупроводника с электропроводностью P-типа (для транзистора с N-каналом) созданы две зоны с повышенной электропроводностью N + -типа. Все это покрывается тонким слоем диэлектрика, обычно диоксида кремния SiO2. Сквозь диэлектрический слой проходят металлические выводы от областей N + -типа, называемые стоком и истоком. Над диэлектриком находится металлический слой затвора. Иногда от подложки также идет вывод, который закорачивают с истоком

Работа МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом N-типа.

Подключим напряжение любой полярности между стоком и истоком. В этом случае электрический ток не пойдет, поскольку между зонами N + находиться область P, не пропускающая электроны. Далее, если подать на затвор положительное напряжение относительно истока Uзи, возникнет электрическое поле. Оно будет выталкивать положительные ионы (дырки) из зоны P в сторону подложки. В результате под затвором концентрация дырок начнет уменьшаться, и их место займут электроны, притягиваемые положительным напряжением на затворе.

Когда Uзи достигнет своего порогового значения, концентрация электронов в области затвора превысит концентрацию дырок. Между стоком и истоком сформируется тонкий канал с электропроводностью N-типа, по которому пойдет ток Iси. Чем выше напряжение на затворе транзистора Uзи, тем шире канал и, следовательно, больше сила тока. Такой режим работы полевого транзистора называется режимом обогащения.

Принцип работы МДП-транзистора с каналом P–типа такой же, только на затвор нужно подавать отрицательное напряжение относительно истока.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора с индуцированным каналом.

ВАХ полевого транзистора с изолированным затвором похожи на ВАХ полевого транзистора с управляющим PN-переходом. Как видно на графике а), вначале ток Iси растет прямопропорционально росту напряжения Uси. Этот участок называют омическая область (действует закон Ома), или область насыщения (канал транзистора насыщается носителями заряда ). Потом, когда канал расширяется почти до максимума, ток Iси практически не растет. Этот участок называют активная область.

Когда Uси превышает определенное пороговое значение (напряжение пробоя PN-перехода), структура полупроводника разрушается, и транзистор превращается в обычный проводник. Данный процесс не восстановим, и прибор приходит в негодность.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом.

Физическое устройство МДП-транзистора со встроенным каналом отличается от типа с индуцированным каналом наличием между стоком и истоком проводящего канала.

Работа МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом N-типа.

Подключим к транзистору напряжение между стоком и истоком Uси любой полярности. Оставим затвор отключенным (Uзи = 0). В результате через канал пойдет ток Iси, представляющий собой поток электронов.

Далее, подключим к затвору отрицательное напряжение относительно истока. В канале возникнет поперечное электрическое поле, которое начнет выталкивать электроны из зоны канала в сторону подложки. Количество электронов в канале уменьшиться, его сопротивление увеличится, и ток Iси уменьшиться. При повышении отрицательного напряжения на затворе, уменьшается сила тока. Такое состояние работы транзистора называется режимом обеднения.

Если подключить к затвору положительное напряжение, возникшее электрическое поле будет притягивать электроны из областей стока, истока и подложки. Канал расшириться, его проводимость повыситься, и ток Iси увеличиться. Транзистор войдет в режим обогащения.

Как мы видим, МДП-транзистор со встроенным каналом способен работать в двух режимах — в режиме обеднения и в режиме обогащения.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора со встроенным каналом.

Преимущества и недостатки полевых транзисторов перед биполярными.

Полевые транзисторы практически вытеснили биполярные в ряде применений. Самое широкое распространение они получили в интегральных схемах в качестве ключей (электронных переключателей)

Главные преимущества полевых транзисторов

  • Благодаря очень высокому входному сопротивлению, цепь полевых транзисторов расходует крайне мало энергии, так как практически не потребляет входного тока.
  • Усиление по току у полевых транзисторов намного выше, чем у биполярных.
  • Значительно выше помехоустойчивость и надежность работы, поскольку из-за отсутствия тока через затвор транзистора, управляющая цепь со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока.
  • У полевых транзисторов на порядок выше скорость перехода между состояниями проводимости и непроводимости тока. Поэтому они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные.
Читайте так же:
Устройство контура заземления в частном доме

Главные недостатки полевых транзисторов

  • У полевых транзисторов большее падение напряжения из-за высокого сопротивления между стоком и истоком, когда прибор находится в открытом состоянии.
  • Структура полевых транзисторов начинает разрушаться при меньшей температуре (150С), чем структура биполярных транзисторов (200С).
  • Несмотря на то, что полевые транзисторы потребляют намного меньше энергии, по сравнению с биполярными транзисторами, при работе на высоких частотах ситуация кардинально меняется. На частотах выше, примерно, чем 1.5 GHz, потребление энергии у МОП-транзисторов начинает возрастать по экспоненте. Поэтому скорость процессоров перестала так стремительно расти, и их производители перешли на стратегию «многоядерности».

При изготовлении мощных МОП-транзисторов, в их структуре возникает «паразитный» биполярный транзистор. Для того, чтобы нейтрализовать его влияние, подложку закорачивают с истоком. Это эквивалентно закорачиванию базы и эмиттера паразитного транзистора. В результате напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора никогда на достигнет необходимого, чтобы он открылся (около 0.6В необходимо, чтобы PN-переход внутри прибора начал проводить).

Однако, при быстром скачке напряжения между стоком и истоком полевого транзистора, паразитный транзистор может случайно открыться, в результате чего, вся схема может выйти из строя.

Важнейшим недостатком полевых транзисторов является их чувствительность к статическому электричеству. Поскольку изоляционный слой диэлектрика на затворе чрезвычайно тонкий, иногда даже относительно невысокого напряжения бывает достаточно, чтоб его разрушить. А разряды статического электричества, присутствующего практически в каждой среде, могут достигать несколько тысяч вольт.

Поэтому внешние корпуса полевых транзисторов стараются создавать таким образом, чтоб минимизировать возможность возникновения нежелательного напряжения между электродами прибора. Одним из таких методов является закорачивание истока с подложкой и их заземление. Также в некоторых моделях используют специально встроенный диод между стоком и истоком. При работе с интегральными схемами (чипами), состоящими преимущественно из полевых транзисторов, желательно использовать заземленные антистатические браслеты. При транспортировке интегральных схем используют вакуумные антистатические упаковки

Полевые транзисторы

В электронике полевым транзистором называется электронный компонент, в котором ток проходящий через канал регулируется электрическим полем, образующимся в результате подачи напряжения между его истоком и затвором. Основным отличием полевого транзистора от транзистора биполярного является то, что выходное и входное сопротивление у него существенно выше.

Плевые транзисторы нередко именуют униполярными, поскольку основным принципом их действия является перемещение при помощи поля носителей зарядов одного и того же типа. Конструктивно эти приборы представляют собой изготовленные из полупроводниковых материалов пластинки одного типа проводимости, на противоположных сторонах которых способом диффузии создается область другого типа проводимости. На их границах образуется обладающий большим сопротивлением p — n -переход.

В полевых транзисторах существуют области полупроводника которые называют каналами. Их поперечное сечение, а вместе с ним и ток носителей заряда изменяются под воздействием электрического поля.

Полевой транзистор принцип работы

Структура полевого транзистора
с управляющим p — n -переходом и каналом n -типа

В случае, если между p -областью и n -областью приложить некоторое напряжение Uзи ., как показано на рисунке выше, то p — n -переход окажется включенным в обратном направлении, следовательно его толщина увеличится, а толщины канала уменьшается. При этом принято p -область называть затвором полевого транзистора, или же его управляющим электродом. Если к этому каналу подключить еще один источник напряжения U ., то через него начнёт протекать ток в направлении от нижнего к верхнему участку n -области. Часть этой области, от которой основные носители зарядов начинают свое движение, называется истоком, а та часть, по направлению к которой они перемещаются – стоком.

Что касается величины тока, который протекает через канал, то определяющим для нее является сопротивление. Оно, в свою очередь, напрямую зависит от толщины канала. Таким образом, если изменяется величина приложенного к каналу напряжения, то вслед за этим происходит изменение величины тока.

В тех случаях, когда для производства этого электронного компонента в качестве основы берут полупроводник p -типа, то получается полевой транзистор, имеющий канал р -типа и управляющий p — n -переход. Канал в нем образуется n -областью.

МДП полевой транзистор

Структура и схема подключения МДП -транзистора
с индуцированным каналом

Полевые транзисторы с изолированным затвором

Помимо тех полевых транзисторов, которые имеют в своей конструкции управляющий затвор, имеются и такие, у которых он изолирован. В электронике для обозначения таких транзисторов используют аббревиатуры МОП (металл-оксид-полупроводник) или МДП (металл-диэлектрик-полупроводник). Соответственно, такие приборы называют МОП -транзисторами или МДП -транзисторами.

Для МДП —транзистора характерно то, что в нем между истоком и стоком располагается n -область, представляющая собой подложку. Поэтому образуется два p — n -перехода, которые включены навстречу друг другу. При этом вне зависимости от того, какую именно полярность имеет питающее напряжение, один из этих переходов всегда закрыт, так что в в направлении «исток-сток» ток равен нулю.

Если на затвор подается отрицательное напряжение, то ток в цепи начинает течь. Дело в том, что на расположенные в подложке электроны действует электрическое поле, и они начинают передвигаться вглубь нее.

Существует некоторое пороговое значение напряжения, при котором количество дырок, расположенных у самой поверхности подложки, становится существенно больше, чем электронов. В результате этого происходит так называемая инверсия типа электроповодности: она обретает p-тип. В результате этого между стоком и истоком получается канал, связывающий их. Его толщина зависит от того, какое именно значение имеет приложенное напряжение. Если изменять его, то можно регулировать и толщину канала, поскольку сопротивление участка, располагающегося между истоком и стоком, также будет изменяться.

Обозначения полевых транзисторов на схеме

  •  Полевой транзистор с управляющим переходом p -типа
  •  Полевой транзистор с управляющим переходом и каналом n -типа
  •  Полевой транзистор с индуцированным каналом p -типа
  •  Полевой транзистор с индуцированным каналом n -типа
  •  Полевой транзистор со встроенным каналом p -типа
  •  Полевой транзистор со встроенным каналом n -типа

Транзистор с индуцированным (инверсионным) каналом

Это устройство от предыдущего транзистора 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. 6.

Рис. 6. 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. 7.

Рис. 7. Условные графические обозначения МДП-транзистора индуцированным каналом n-типа (а) и p-типа (б)

Полевой транзистор с изолированным затвором это полупроводниковый прибор, в котором управляющий электрод отделен от токопроводящего канала слоем диэлектрика.

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.

Полевые транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения канала свободными носителями заряда.

Полевые транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения.

Основными достоинствами полевого транзистора являются его большое сопротивление по постоянному току и высокая технологичность. Последнее обусловливает широкое применение полевых транзисторов при разработке микросхем. [1]

Лучшие статьи по информатике

Модуль аналого-цифрового вводавывода FESTO EasyPort
гидравлический распределитель привод В настоящее время множество промышленных предприятий используют гидравлические исполнительные устройства (гидромоторы, ци .

Расчет спутниковой передающей антенны
Требуется спроектировать и рассчитать антенну, в соответствии с приведёнными ниже техническими данными. Назначение: Бортовая спутниковая передающая ант .

Цифровой термометр
Уровень и направления развития электронных ЦАП и АЦП в значительной степени определялись и продолжают определяться требованиями к техническим и эксплуатацио .

2. Устройство, принцип действия, характеристики и параметры полевых транзисторов с изолированным затвором

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-транзистор) – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

Аббревиатура МДП обозначает структуру металл-диэлектрик-полупроводник. Очень часто в качестве диэлектрика используется окисел (в частности, двуокись кремния SiO2), поэтому в литературе нередко встречается термин МОП-транзистор (металл-окисел-полупроводник).

Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа.

Структуры полевых транзисторов с изолированным затвором показаны на рис.3.

Рис. 3. Структуры полевых транзисторов с изолированным затвором (p-каналом)

а) с индуцированным каналом; б) со встроенным каналом

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением (то есть слаболегированного), который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным типом электропроводности. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Расстояние между сильнолегированными областями истока и стока может составлять всего несколько микрон. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO2, выращенный на поверхности кристалла кремния путем высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод – затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: со встроенным (собственным) и с индуцированным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 3, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока (UЗИпор), которое называют пороговым напряжением.

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 3, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой (о том, что это такое — несколько позже) – канал, который соединяет исток со стоком.

Изображенные на рис. 3 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с проводимостью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.

Устройство и принцип действия МДП-транзистора с индуцированным каналом.

Кристаллическая пластинка слаболегированного кремния n— или p-типа, являющаяся основой для изготовления транзистора, называется подложкой. В теле подложки создаются две сильнолегированные области с противоположными типами электропроводности. Одна из этих областей используется как исток И, другая – как сток С. Электрод затвора З изолирован от полупроводниковой области тонким слоем двуокиси кремния. Исток, сток и подложка имеют омические контакты с соответствующими полупроводниковыми областями и снабжаются выводами (рис.4). Подложку обычно соединяют с истоком. Так как высоколегированные p-области истока и стока с полупроводником образуют p-n переходы, то при любой полярности напряжения на стоке относительно истока один из этих p-n переходов оказывается включенным в обратном направлении и препятствует протеканию тока IС.

Рис.4. Устройство МДП-транзистора с индуцированным (а) и встроенным каналом (б).

Таким образом, в исходном состоянии токопроводящий канал между истоком и стоком в приборе отсутствует.

При подаче отрицательного напряжения на затвор электрическое поле затвора через диэлектрик SiO2 проникает на некоторую глубину в приконтактный слой подложки, выталкивает из него основные носители заряда (электроны) и притягивает неосновные носители (дырки), то есть вызывает обеднение приконтактного слоя электронами проводимости и обогащение его дырками. При некотором отрицательном напряжении на затворе, называемом пороговым напряжением затвора UЗИпор, в приконтактном поверхностном слое подложки начинается смена типа электропроводности с электронной на дырочную (рис.5,а), при этом инверсный слой (индуцированный канал) и подложка разделяются обедненным слоем, который представляет собой не что иное, как запирающий слой обычного p-n перехода (рис. 3,б). При дальнейшем увеличении отрицательного напряжения на затворе в подложке индуцируется токопроводящий канал p-типа, соединяющий исток со стоком (рис.5,б).

Смена одного типа проводимости на другую под действием сил электрического поля называют инверсией электропроводности.

Увеличение отрицательного напряжения на затворе приводит к увеличению толщины канала и концентрации дырок в нем, что вызывает увеличение проводимости канала в целом.

Ðèñ. 5. МДП-транзистор с индуцированным каналом.

а – пороговый режим; б – образование индуцированного канала

Согласно этому принципу транзисторы с управляющим p-n переходом, у которых увеличение напряжения затвора приводит к сужению канала и его ликвидации, работают в режиме обеднения.

Так как возникновение и увеличение проводимости канала связано с его обогащением подвижными носителями заряда (дырками), то считают, что транзисторы подобного тип работают в режиме обогащения.

Выходные статические характеристики. На рис. 6,а показано семейство статических выходных (стоковых) характеристик МДП-транзистора с индуцированным каналом p-òèïà IC =  (UСИ) при UЗИ = const и UЗИ  UСИпор.

При малых значениях UСИ ток стока изменяется прямо пропорционально напряжению (участок АБ на рис. 6,а). Тангенс угла наклона этого участка прямо пропорционален проводимости открытого канала. В работающем транзисторе по каналу течет ток IКIС (он обусловлен дрейфом дырок от истока к стоку), поэтому напряжение между затвором и каналом в различных поперечных сечениях канала оказывается неодинаковым, а изменяется от UЗИ вблизи истока до UЗИUСИ вблизи стока. Из-за этого различной оказывается и толщина индуцированного канала: она больше вблизи истока и меньше вблизи стока.

При напряжении насыщения UСИнас происходит перекрытие канала около стока, и дальнейшее увеличение напряжения на стоке вызывает очень малое увеличение тока стока.

При увеличении напряжения на затворе (по абсолютному значению) выходные характеристики смещаются в область бóльших токов стока (см. рис. 6, а), что легко понять на основе принципа действия МДП-транзистора с индуцированным каналом.

Рис. 6. Статические стоковые (а) и стоко-затворные (б) характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом p-типа.

При больших напряжениях на стоке может произойти пробой МДП-транзистора, при этом может быть два вида пробоя – пробой pn перехода под стоком и пробой диэлектрика под затвором.

Пробой pn перехода имеет лавинный характер, так как МДП-транзисторы изготовляют обычно из кремния. При этом на пробивное напряжение UСИпроб может влиять напряжение на затворе: так как на сток и на затвор МДП-транзистора с индуцированным каналом подаются потенциалы одной полярности, то с увеличением напряжения на затворе будет увеличиваться UСИпроб (см. рис 6, а)

Пробой диэлектрика под затвором может происходить при напряжении на затворе всего в несколько десятков вольт, так как толщина слоя двуокиси кремния около 0,1 мкм. Этот вид пробоя может возникать в результате накопления статических зарядов, так как входное сопротивление МДП-транзистора велико. Для исключения возможности такого вида пробоя вход МДП-транзистора часто защищают стабилитроном, ограничивающим напряжение на затворе.

Статические характеристики передачи представляют собой зависимости IС = UÇÈ при UСИ = const. Характеристики для разных напряжений на стоке выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей пороговому напряжению UЗИпор (см. рис. 6,б). С увеличением напряжения на стоке при неизменном напряжении на затворе ток стока возрастает даже в пологой части статических выходных характеристик (см. рис. 6,а). Это приводит к смещению характеристик передачи вверх в выбранной системе координат.

Устройство и принцип действия МДП-транзистора со встроенным каналом.

У этого типа транзистора токопроводящий канал (рис. 3,б) создают («встраивают») технологическим путем в виде тонкого слаболегированного полупроводникового слоя, соединяющего исток со стоком. В зависимости от электропроводности подложки канал может быть сделан как n-, òàê è p-òèïà.

Во встроенном канале ток стока протекает при нулевом напряжении на затворе. Отрицательное напряжение, приложенное к затвору относительно истока и подложки, будет притягивать из подложки дырки и удалять из встроенного канала электроны, то есть будет создавать обеднение канала основными носителями и вызывать уменьшение его общей проводимости. При некотором пороговом напряжении UЗИпор канал меняет электропроводность с электронной на дырочную и перестает существовать как таковой, то есть IСIК = 0. При положительном напряжении на затворе канал будет обогащаться основными носителями заряда (электронами) и его общая проводимость будет увеличиваться.

Все остальные процессы в канале ничем не отличаются от процессов, происходящих в индуцированном канале.

Если в исходном состоянии канал открыт, то увеличение положительного напряжения стока вызывает увеличение тока стока и распределенного вдоль канала положительного напряжения UСИ > 0. При определенном напряжении стока UСИнас происходит полное обеднение и условное перекрытие стокового участка канала, то есть наступает режим насыщения. Статические характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n-òèïà изображены на рис. 5. (*****)

В связи с трудностями технологического характера МДП-транзистора со встроенным каналом в настоящее время пока не нашли широкого применения.

У МДП-транзисторов всех типов потенциал подложки относительно истока оказывает заметное влияние на вольтамперные характеристики и, следовательно, на параметры транзистора. По своему воздействию на проводимость канала положка может выполнять функцию второго затвора. Несмотря на слабое управляющее действие подложки (второго затвора) это свойства используется в ряде схем. При этом напряжение на подложке относительно истока должно иметь такую полярность, чтобы pn переход исток–подложка был включен в обратном направлении, что приводит к его расширению и вызывает уменьшение исходной проводимости и тока насыщения канала.

Далее идет материал для Пособия и в лекцию не включается.

Эквивалентная схема полевого транзистора по переменному току

Эквивалентная схема полевого транзистора по переменному току приведена на рис. 5, а. Активные свойства транзистора учтены с помощью генератора тока – Suзи , зашунтированного внутренним дифференциальным сопротивлением прибора Ri .

Сопротивления rи и rс представляют собой сопротивления участков полупроводника, заключенного между контактом соответствующего электрода и областью канала. Эти сопротивления относительно малы и на эквивалентной схеме условно показаны штриховыми линиями. Затвор можно изобразить в виде двух резисторов Rзи и Rзс , имеющих большие сопротивления и отражающих сопротивления утечки затвора. На рис. 5, а они изображены штриховыми линиями, так как их шунтирующим действием можно пренебречь. Емкость Сз – это распределенная по каналу между истоком и затвором емкость затвора. Она включена последовательно с усредненным сопротивлением канала Rк.ср = Rк/2 , где Rк – сопротивление канала.

В полевых транзисторах с подложкой емкость Сз замыкается на подложку через малое сопротивление поперечного сечения канала и большую емкость канал–подложка Сп  Сз, поэтому ее прямо соединяют с источником (через подложку, см. рис. 5, б).

Элемент Ссз – это распределенная по каналу емкость, соединяющая сток с затвором (то есть проходная емкость). С учетом распределения этой емкости вдоль канала, ее величину определяют СсзСсз/2.

Емкость Сси – это в основном емкость между стоком и заземленной подложкой.

Если опустить второстепенные элементы, не оказывающие существенного влияния на работу полевого транзистора, получим упрощенную эквивалентную схему, приведенную на рис. 5, б.

Важнейшим параметром полевого транзистора с изолированным затвором, отражающим его усилительные свойства, является крутизна характеристики S, которая представляет собой отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при неизменном напряжении на стоке

Задание курсантам для самостоятельной учебной работы, список рекомендуемой литературы и методические указания

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector