Вольтамперные характеристики полевого транзистора с p-n переходом

С ростом напряжения , ток стока с одной стороны будет увеличиваться, но с другой стороны его рост будет замедляться за счет уменьшения проводимости канала. При некотором напряжении сток – исток, называемом напряжением насыщения , произойдет практически полное перекрытие канала, несмотря на то, что ток стока по нему будет протекать. Дальнейший рост напряжения вызовет пропорциональное увеличение длины проводящей зоны канала и, соответственно, его сопротивления. При этом величина тока стока, равная

будет оставаться практически неизменной вплоть до пробоя перехода затвор-сток.

Графики зависимостей тока стока от напряжения при различных значениях приведены на рис. 4.4. На каждом из них можно выделить два участка: первый (омический) при и второй (участок насыщения) - при . На омическом участке с ростом напряжения происходит изменение сечения канала и , где – некоторый коэффициент. На втором участке меняется длина проводящей зоны канала и .

Рис. 4.4. Семейство выходных характеристик

полевого транзистора с p-n переходом.

При подаче на затвор относительно истока некоторого запирающего напряжения происходит дополнительное уменьшение сечения канала и, соответственно, снижение тока стока при тех же напряжениях . В режим насыщения транзистор также будет переходить при меньшей величине разности потенциалов .

Напряжение отсечки является некоторой константой конкретного полевого транзистора, причем .

Совокупность приведенных на рис. 4.4 зависимостей тока стока от напряжения сток – исток, снятых при различных потенциалах затвора, образует семейство выходных характеристик полевого транзистора.

На начальном участке выходные характеристики представляют собой отрезки практически прямых линий, наклон которых зависит от величины управляющего напряжения на затворе (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Начальные участки семейства выходных

характеристик полевого транзистора.

Так как линейная связь между током и напряжением описывается законом Ома: , то из рис. 4.5 следует, что в данном режиме () полевой транзистор может выполнять функции управляемого резистора, величина которого , зависит от напряжения .

Линейность выходных характеристик при смене полярности напряжения сохраняется пока переход затвор-сток остается запертым.

Вольтамперная характеристика полевого транзистора, связанная с цепью управления (затвором) называется стокозатворной. Она представляет собой зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при постоянном значении и имеет параболическую форму (рис. 4.6).

Как следует из предыдущих рассуждений, с увеличением запирающего напряжения ток стока уменьшается и при некотором его значении , обращается в ноль. При положительной полярности на затворе управляющий p-n переход откроется, начнется инжекция дырок в область истока, при этом потечет ток затвора, и, сначала немного возрастет, а потом будет уменьшаться ток стока. Такой режим работы полевого транзистора с открытым управляющим p-n переходом обычно не используется, считается нерабочим.

Рис. 4.6. Семейство стокозатворных характеристик полевого

транзистора с управляющим p-n переходом и n-каналом.

При уменьшении напряжения характеристика пойдет несколько ниже, а при изменении температуры станет поворачиваться вокруг некоторой, так называемой «термостабильной» точки. Это связано с тем, что, к примеру, при увеличении температуры с одной стороны уменьшается подвижность носителей, что приводит к росту сопротивления канала и падению тока стока, а с другой - уменьшается контактная разность потенциалов, что вызывает расширение токопроводящего канала. При малых токах преобладает первый эффект, а при больших – второй. При некотором токе они компенсируют друг друга, и положение такой точки на ВАХ не меняется с температурой.

Напряжение отсечки по данной характеристике обычно отсчитывается на уровне тока стока, равном 10 мкА.

Предыдущие рассуждения касались функционирования полевого транзистора при включении его с общим истоком. Однако, в качестве общего для входной и выходной цепей электрода можно использовать затвор и исток.

В малосигнальном режиме, когда , , полевой транзистор может считаться линейным устройством. Его работу можно смоделировать, используя набор линейных элементов, отражающих ту или иную особенность функционирования реального транзистора, то есть представить его в виде эквивалентной схемы, один из вариантов которой приведен на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Эквивалентная схема полевого транзистора

при включении с общим истоком.

Так как управление током стока осуществляется под действием напряжения во входной цепи практически без потребления тока, то какие либо элементы во входной цепи должны отсутствовать. В принципе туда можно ввести некоторое сопротивление , характеризующее наличие входного тока из-за конечного сопротивления запертого p-n перехода, а также емкость , отражающую факт наличия барьерной емкости запертого p-n перехода. Эта емкость называется входной.

То, что при наличии входного напряжения , в выходной цепи течет ток , моделируется введением в состав эквивалентной схемы генератора тока с внутренним сопротивлением , причем . Из стокозатворной характеристики следует, что пропорционален . Этот факт можно записать в виде , где S – некоторый коэффициент, называемый «крутизной» и имеющий размерность , либо . В последнем случае значение крутизны показывает, на сколько миллиампер изменяется ток стока при изменении на 1В.

С ростом частоты усилительные свойства полевого транзистора, как и у биполярного, ухудшаются. Это в основном связано с наличием соответствующих емкостей и конечной скоростью движения носителей. Для учета частотных свойств в состав его эквивалентной схемы вводят конденсаторы, емкости которых соответствуют входной и проходной .

В отличие от ситуации с биполярным транзистором, параметры активных элементов эквивалентной схемы полевого, можно определить непосредственно из соответствующих вольтамперных характеристик.

, , .

Отношение изменения выходного напряжения ко входному называется коэффициентом усиления полевого транзистора .

В отличие от биполярного, полевой транзистор обладает симметричной структурой, поэтому его параметры в нормальном и «инверсном» включении, когда выводы стока и истока меняются местами, будут практически одинаковыми.

В высокочастотных разновидностях полевых транзисторов применяются металлические затворы и переходы Шоттки. В качестве полупроводника при этом обычно используется арсенид галлия. Особенность полевых транзисторов являются малые шумы, вносимые в усиливаемый сигнал.

В качестве параметров для оценки характеристик и сравнения полевых транзисторов с управляющим переходом, используются: крутизна характеристики, напряжение отсечки, начальный ток стока – это ток стока при нулевом напряжении на затворе, ток утечки затвора – это обратный ток через запертый переход затвор-исток, ёмкости – входная, выходная и проходная. Кроме того, вводятся предельные параметры: максимально допустимое напряжение на электродах, токи через них и мощность, рассеиваемая на транзисторе.

4.2 МОП (МДП) – транзисторы

Еще одним вариантом полевых транзисторов являются транзисторы с изолированным затвором. Они называются транзисторами типа МОП или МДП, что связано с чередованием слоев металл-окисел (диэлектрик)-полупроводник в структуре транзистора. Возможны четыре разновидности таких структур. На рис. 4.8 приведена условная топология и обозначения на принципиальных схемах МОП транзисторов со встроенным каналом разного типа проводимости.

Рис. 4.8. Структура и условные обозначения

МОП транзисторов со встроенным каналом.

При создании таких транзисторов в слое полупроводникового материала, который называется подложкой, создаются области противоположного типа проводимости - сток и исток, соединенные проводящим каналом из того же материала.

Над областью канала располагается металлический или полупроводниковый электрод – затвор, отделенный от канала слоем окисла или другого диэлектрика.

На подложку транзистора с каналом из n-полупроводника подается максимальный отрицательный потенциал, либо она соединяется с истоком. Это необходимо, чтобы переходы исток-подложка, сток-подложка были закрыты. В последнем случае протеканию тока через границу раздела исток-подложка препятствует внутреннее поле p-n перехода.

При напряжении между истоком и затвором () равном нулю и положительном относительно истока напряжении на стоке (), по каналу потечет некоторый ток . Его зависимость от напряжения будет аналогична соответствующей зависимости у полевого транзистора с p-n переходом и n-каналом, так как подложку в этом случае можно представить в роли затвора.

При подаче на затвор МОП транзистора положительного относительно истока напряжения, произойдет подтягивание электронов из подложки в область канала и его проводимость, а следовательно, и ток стока будут увеличиваться. Такой режим работы полевого транзистора со встроенным каналом называется режимом обогащения. Если на затвор подается отрицательное напряжение, происходит выталкивание электронов из области канала в подложку, проводимость канала и ток стока уменьшаются. В этом случае транзистор работает в режиме обеднения. При некоторой величине отрицательного напряжения на затворе канал полностью перекроется, его проводимость и, соответственно, ток стока станут равными нулю. Это напряжение называется напряжением отсечки .

Вольтамперные характеристики МОП транзистора со встроенным каналом n-типа имеют вид, показанный на рис. 4.9. Как следует из принципа его работы, током стока можно управлять при подаче на затвор напряжения обоих полярностей.

Рис. 4.9. Вольтамперные характеристики

МОП транзистора со встроенным n-каналом.

Структура и обозначения на принципиальных схемах МОП транзисторов с индуцированным, или наведенным каналом представлена на рис. 4.10. В таких приборах в исходном состоянии проводящий канал между областями стока и истока отсутствует, и соответственно ток стока будет равен нулю.

Рис. 4.10. Структура и условные обозначения

МОП транзисторов с индуцированным каналом.

Проводящий канал и ток у транзистора с подложкой из p-полупроводника появляется лишь при подаче на затвор относительно истока положительного напряжения, большего, чем некоторое пороговое значение . Под действием положительного потенциала затвора дырки отталкиваются вглубь подложки, а электроны подтягиваются в область канала. При под затвором формируется область с инверсной по отношению к подложке n-проводимостью, соединяющая зоны стока и истока, то есть токопроводящий канал. С ростом напряжения размеры этой области, проводимость канала и ток стока увеличиваются.

Вольтамперные характеристики МОП транзистора с индуцированным n-каналом приведены на рис. 4.11. Они похожи на соответствующие характеристики МОП транзистора со встроенным каналом, но управление током стока происходит лишь при положительном напряжении на затворе, большем порогового.

Эквивалентная схема и система параметров МОП транзисторов аналогична эквивалентной схеме транзистора с управляющим p-n переходом, приведенной на рис. 4.7.

Рис. 4.11. Вольтамперные характеристики

МОП транзистора с индуцированным n-каналом.

ВАХ МОП транзисторов с противоположным типом проводимости канала выглядят аналогично, меняется лишь полярность управляющего и напряжения питания.

Особенностью полевых транзисторов является их геометрическая симметрия. Это позволяет при необходимости сток и исток менять местами. Кроме того, подложка может быть использована в качестве второго затвора (как у полевого транзистора с p-n переходом). У таких транзисторов практически отсутствуют входные токи при обеих полярностях управляющих напряжений.

Структура затвор-окисел-полупроводник представляет собой высококачественный конденсатор очень малой емкости и с небольшим пробивным напряжением. При наличии на теле или одежде человека зарядов статического электричества и касании выводов транзистора возможен пробой диэлектрика и выход прибора из строя. Чтобы этого избежать при транспортировке и монтаже МОП транзисторов применяются специальные меры предосторожности.

Дата добавления: 2014-01-06