Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

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, температуроустойких приборов. Большое значение также имеют низкий уровень шумов и высокое входное сопротивление этих транзисторов.

Рисунок 4.1

На рисунке 4.1 приведена схема включения полевого транзистора. Во входную цепь включен источник обратного смещения UЗИ на p-n переходе между затвором и каналом. Выходная цепь состоит из источника постоянного напряжения UСИ 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 pвыгоднее применять n-канал. Затвор выполняют в виде полупроводниковой области p+-типа.

Полевой транзистор работает следующим образом. При отсутствии напряжения на входе основные носители заряда - электроны под действием ускоряющего электрического ноля в канале (E = 10104 В/см) дрейфуют в направлении от истока к стоку, в то время как p-n переход для них заперт. Ток IС, создаваемый этими электронами, определяется как напряжением стока UСИ, 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 UЗИ 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

а) б)
Рисунок 4.2

прямой передачи IС =f(UЗИ). Указанный эффект будет тем сильнее, чем больше удельное сопротивление материала полупроводника, поэтому полевые транзисторы выполняют из высокоомного материала. При больших обратных напряжениях на затворе UЗИ0 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 IС =f(UСИ) при различных значениях напряжения затвора UЗИ. Каждая характеристика имеет два участка - омический (для малых UСИ) и насыщения (для больших UСИ). При UЗИ = 0 с увеличением напряжения UС ток IС вначале нарастает почти линейно, однако далее характеристика перестает подчиняться закону Ома; ток IС 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 IС. При напряжении насыщения UСИ = UЗИ0сечение канала приближается к нулю и рост IС прекращается.

Следующая характеристика, снятая при некотором обратном напряжении затвора U¢ ЗИ, когда запирающий слой имеет большую толщину при тех же значениях UСИ будет более пологой на начальном участке и насыщение наступит раньше (при меньших значениях U¢СИ=UЗИ0 -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 IЗчеред переход и, следовательно, уменьшается RВХ. 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 носителей 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 затвора. С изменением тока затвора

Рисунок 4.3

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:

Дифференциальное выходное сопротивление здесь определяется как

, Ом, .

Оно составляет, примерно десятки — сотни килоомов. Статический коэффициент усиления по напряжению m =D UСИ/D UЗИ =S× Ri ..

Междуэлектродные емкости затвор-исток СЗИ затвор-сток СЗС и сток-исток ССИ. Для маломощных транзисторов СЗИ=3 пФ, СЗС=2 пФ и ССИ=0,2 пФ.

Ток затвора во входной цепи триода IЗ —обратный ток, создаваемый неосновными носителями через p-n переход, чрезвычайна мал (порядка 10-9 А и менее). Поэтому входное сопротивление полевого транзистора RВХ=D UЗ/D IЗ 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 СЗИ. Максимальная рабочая частота определяется постоянной времени входной цепи f=1/2p RCЗИ, 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.

Рассмотрим процесс образования тока в канале МДП -транзистора со встроенным каналом. Конструкция такого транзистора с каналом n-типа показана на рис. 5.2. В исходной пластине кремния p-типа созданы области истока, стока и канала n-типа. Области истока и стока представляют собой объемы кремния сильно легированного примесью
n-типа. Расстояние между истоком и стоком составляет примерно 1 мкм. Канал выполнен в виде участка слаболегированного кремния n-типа. Затвором служит металлическая пластина, изолированная от канала слоем окисла толщиной примерно 0,1 мкм. Вывод подложки соединяют с истоком.

5.2.2. Вольт -амперные характеристики транзистора

Полевые транзисторы характеризуются входными и выходными вольт-ампер­ными характеристиками.

Выходной характеристикой транзистора называется зависимость тока стока от напряжения исток–сток при постоянной величине напряжения на зат­воре , т. е. при .

Входной характеристикой называется зависимость тока стока от напряжения затвор–исток при фиксированном значении напряжения , т. е. при .

 

Выходные (стоковые) характеристики транзистора со встроенным каналом имеют вид, показанный на рис. 5.3, а. Рассмотрим вначале характеристику при отсутствии напряжения управления , что соответствует соединению затвора с истоком. Внешнее напряжение приложено к каналу (зажимам исток–сток) транзистора с полярностью, указанной на рис. 5.2. При через прибор протекает ток, определяющий исходную проводимость канала. На начальном участке характеристики, когда падение напряжения в канале мало, зависимость близка к линейной. По мере приближения к точке происходит сужение канала, из-за чего падение напряжения в канале все больше увеличивается, что повлияло на крутизну нарастания тока на участке . После точки сечение токопроводящего канала сужается до минимума и вызывает ограничение нарастания тока. Этот режим получил название режима насыщения, а напряжение, при котором происходит насыщение, называется напряжением насыщения .

Проводящие свойства канала определяются внешним управляющим напряжением , приложенным между затвором и истоком (подложкой).

 

 

Рис. 5.3. Характеристики транзистора со встроенным каналом:

а – стоковые характеристики; б – стоко-затворная характеристика

 

В случае поступления на затвор отрицательного напряжения , поперечное электрическое поле затвора оказывает отталкивающее действие на электроны – носители заряда в канале, которые выталкиваются из области канала в объем полупроводника подложки p-типа. Это приводит к уменьшению концентрации электронов в канале и соответственно к уменьшению проводимости канала. Вследствие этого стоковые характеристики при располагаются ниже кривой, соответствующей . Режим работы транзистора при , при котором происходит уменьшение концентрации носителей в канале, называется режимом обеднения.

При подаче на затвор положительного напряжения электрическое поле затвора притягивает электроны в канал из p-слоя полупроводника пластины. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, что соответствует режиму обогащения канала носителями. Проводимость канала возрастает, ток канала увеличивается. Стоковые характеристики при располагаются выше исходной ветви характеристики, соответствующей .

Если снять зависимость тока от напряжения для ряда значений напряжения , то получим семейство выходных характеристик полевого транзистора.

Примерный вид стоко-затворной характеристики полевого транзистора со встроенным каналом показан на рис. 5.3, б. Из рисунка следует, что ветвь характеристики при соответствует режиму обогащения, режим обеднения наблюдается при отрицательных значениях . При некотором значении отрицательного напряжения (напряжение отсечки) происходит полное закрытие канала, после чего ток канала уменьшается до нуля .

Конструкция МДП -транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис. 5.4.

Канал проводимости тока здесь специально не создается, а образуется (индуцируется) благо­даря притоку электронов из полупроводниковой пластины p-типа в случае приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока. За счет притока электронов в приповерхностном слое происходит из­менение электропроводности полупроводника, т. е. индуцируется токопроводящий канал n-типа, соединяющий области истока и стока. Проводимость канала возрастает с повышением приложенного к затвору напряжения положительной полярности. Таким образом, полевой транзистор с индуцированным каналом работает только в режиме обогащения.

5.3.2. Вольт-амперные характеристики транзистора

Стоковые (выходные) вольт-амперные характеристики транзистора с индуцированным каналом приведены на рис. 5.5, а. Они близки по виду аналогичным характеристикам транзистора со встроенным каналом и имеют тот же характер зависимости . Отличие заключается в том, что управление током транзистора осуществляется напряжением только положительной полярности, совпадающей с полярностью напряжения . Ток стока равен нулю при , в то время как в транзисторе со встроенным каналом для этого необходимо изменить полярность напряжения на затворе относительно истока.

 

 

Рис. 5.5. Характеристики транзистора с индуцированным каналом:

а – стоковые характеристики; б – стоко-затворная характеристика

 

Вид стоко-затворной характеристики транзистора с индуцированным каналом показан на рис. 5.5, б. В отличие от транзистора со встроенным каналом, характеристика имеет только одну ветвь, соответствующую только режиму обогащения.

 

31. Польовий транзистор (ПТ) - це транзистор, струм в якому створюють основні носії заряду під дією поздовжнього електричного поля, а керування струмом здійснюється поперечним полем, яке створюється напругою не керуючому електроді. Робота польових транзисторів базується на дрейфі носіїв заряду одного знаку в поздовжньому електричному полі через керований канал n або p типу.

В електричних пристроях використовуються два типи польових транзисторів: з керуючим p-n переходом та з ізольованим затвором.

У технічній літературі розглянутий тип приладів визначають трьома

термінами:

– на основі принципу управління такі прилади зазвичай називають

польовими приладами;

– внаслідок того, що перенесення струму в них забезпечується одним

типом носіїв заряду, поширене інша назва - уніполярні прилади;

– вихідні параметри таких приладів в основному визначаються

властивостями каналу, і можна зустріти термін канальні прилади.

Основними характеристиками польового транзистора є характеристики

передачі – залежність струму стоку від напруги на затворі Ic = f U const Uc ( 3) 

і вихідні характеристики – залежність струму стоку від напруги стоку

Ic= f Uc U const

3 ( ) .

Типові стічні вольт-амперні характеристики транзистора

Ic = f Uc U const

3 ( ) показані на рис. 5.1.

На цих характеристиках варто виділити три області: лінійну (при малих напругах Uc ); область насичення, де струм стоку не залежить від Uc ; область пробою, де струм стоку різко зростає з ростом Uc .

МДП-транзистор з вбудованим каналом. Канал може мати провідність як p-типу, так і n-типу. Для визначеності звернемося до транзистора з каналом р-типу. Дамо схематичне зображення структури транзистора (рис. 1.83), умовне графічне позначення транзистора з каналом p-типу (рис. 1.84, а) і з каналом n-типу (рис. 1.84, б). Стрілка, як зазвичай, вказує напрям від шару p до шару n.

Розглянутий транзистор (див.рис. 1.80) може працювати в двох режимах: збіднення та збагачення.

Режиму збіднення відповідає позитивне напруга Uзи. При збільшенні цієї напруги концентрація дірок в каналі зменшується (так як потенціал затвора більше потенціалу витоку), що призводить до зменшення струму стоку.

Якщо напруга Uзи більше напруги відсічення, тобто якщо Uзи> Uзи отс, то канал не існує і струм між витоком і стоком дорівнює нулю.

Режиму збагачення відповідає негативна напруга Uзи. При цьому чим більше модуль зазначеного напруги, тим більше провідність каналу і тим більше струм стоку.

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.