Тема: Полевые транзисторы

Лекция № 14.

Содержание:

1. Полевые транзисторы.

2. Полевые транзисторы с р-п переходом.

3. Полевые транзисторы изолированным затвором.

4. Области применения полевых транзисторов.

1. Полевые транзисторы.

Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом.

Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы называются униполярными (в отличие от биполярных). 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), т. н. транзисторы МДП (металл — диэлектрик — полупроводник).

Для полупроводника п-типа удельная проводимость:

Для того чтобы управлять током в полупроводнике при постоянном электрическом поле, нужно менять либо: -удельную проводимость полупроводникового слоя, -либо концентрацию носителей, -либо подвижность.

На практике используется и тот, и другой способ, причем в основе обоих способов лежит эффект поля. Поэтому такие транзисторы обычно называют полевыми транзисторами.

Проводящий слой, по которому проходит рабочий ток, называют каналом. Отсюда еще одно название такого класса транзисторов — канальные транзисторы.

Каналы могут быть приповерхностными и объемными.

Принцип исполь­зования каналов в унипо­лярных транзисторах: а — приповерхностный п -канал; б — объемный р-канал.

Приповерхностные каналы представляют собой либо обогащенные слои, обусловленные наличием донорных примесей в диэлектрике, либо инверсионные слои, образующиеся под действием внешнего поля.

Объемные каналы представляют собой участки однородного полупроводника, отделенные от поверхности обедненным слоем.

Транзисторы с приповерхностным каналом имеют классическую структуру металл—диэлектрик—полупроводник (МДП). Их называют МДП-транзисторами. В частном случае, если диэлектриком является окисел (двуокись кремния ЗЮ2), используется название МОП-транзисторы.

Транзисторы с объемным каналом характерны тем, что обедненный слой создается с помощью р-п-перехода. Поэтому их часто называют полевыми _ транзисторами с р-п переходом.. Ниже мы будем называть их просто полевыми транзисторами.

Несмотря на различие в структуре, полевые и МДП-транзисторы имеют много общего. Обоим транзисторам свойственна явно выраженная управляющая цепь (с источником напряжения II), четко отделенная от управляемой цепи, в которой протекает рабочий ток I. Управляющая цепь практически не потребляет тока, поскольку в нее входит либо участок диэлектрика, либо обратно смещенный п-переход.

Направление электрического поля, создаваемого управляющим напряжением, перпендикулярно направлению тока. Наряду с общими чертами каждый из этих двух транзисторов обладает, конечно, и рядом отличительных особенностей.

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, из которого они вытекают в канал, сток, в который основные носители втекают из канала, и затвор, предназначенный для регулирования тока путем изменения поперечного сечения канала.

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, температуростойких приборов. Большое значение также имеют низкий уровень шумов и высокое входное сопротивление этих транзисторов. Существует несколько разновидностей полевых транзисторов, различающихся физической структурой и способом управления проводимостью канала, которые в ряде устройств работают более эффективно, чем биполярные.

2. Полевые транзисторы с р-п переходом.

Полевой транзистор с управляющим р-п-переходом - это полевой транзистор, управление потоком основных носителей в котором происходит с помощью выпрямляющего электрического перехода, смещенного в обратном направлении.

Полевой транзистор представляет собой монокристалл полупроводника п-типа проводимости; по его торцам методом напыления сформированы электроды, а посередине, с двух сторон, созданы две области противоположного типа проводимости и тоже с электрическими выводами от этих областей. Тогда на границе раздела областей с различным типом проводимости возникнет р-п-переход. Электрические выводы от торцевых поверхностей полупроводника называют истоком (И) и стоком (С), а вывод от боковой поверхности противоположного типа проводимости назовем затвором (3).

Подключим внешние источники Uзи и Uси так, чтобы источник Uзи - источник входного сигнала смещал р-п-переход в обратном направлении, а в цепь источника Uси введем сопротивление нагрузки Rн. Под действием напряжения этого источника между торцевыми поверхностями полупроводника потечет ток основных носителей за ряда. Образуется так называемый токопроводящий канал.

Площадь поперечного сечения этого канала, а, следовательно, и его сопротивление зависит от ширины р-п-перехода. Изменяя величину напряжения источника Uзи, меняем обратное напряжение на р-п-переходе, а, значит, и его ширину. При увеличении этого напряжения ширина р-п-перехода возрастает, а поперечное сечение канала между истоком и стоком уменьшается. Можно подобрать такую величину напряжения на затворе, при котором р-п-переход полностью перекроет канал, и ток в цепи нагрузки прекратится. Это напряжение называют напряжением отсечки.

Падение напряжения на сопротивлении нагрузки при протекании тока Iс является выходным сигналом, мощность которого значительно больше мощности, затраченной во входной цепи. Принципиальным отличием полевого транзистора от биполярного является то, что источник входного сигнала подключен к р-п-переходу в обратном, запирающем направлении и, следовательно, входное сопротивление здесь очень большое, а потребляемый от источника входного сигнала ток очень маленький. В биполярном транзисторе управление осуществляется входным током, а в полевом транзисторе- входным напряжением.

Если полевой транзистор усиливает сигнал переменного тока, то в цепь затвора необходимо вводить смещение в виде источника ЭДС достаточной величины, чтобы суммарное напряжение на р-п-переходе не изменяло свой знак на положительный, так как р-п-переход в таком полевом транзисторе должен быть всегда смещен в обратном направлении. Тогда электрическое поле р-п-перехода, поперечное по отношению к каналу, будет изменятся в точном соответствии с изменением входного сигнала, расширяя и сужая канал. В цепи стока появляется переменная составляющая тока, которая и будет представлять собой усиленный входной си гнал.

Выводы:

Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей заряда, протекающим черезтокопроводящий канал, и управляемым электрическим полем.

Полевой транзистор в отличие от биполярного иногда называют униполярным, т. к. его работа основана только на основных носителях заряда. Вследствие этого в полевом транзисторе отсутствуют процессы накопления и рассасывания объемного заряда неосновных носителей, оказывающих заметное влияние на быстродействие биполярного транзистора.

Основным процессом переноса носителей заряда, образующим ток полевого транзистора, является дрейф в электрическом поле. Проводящий слой, в котором создается рабочий ток полевого транзистора, называется токопроводящим каналом.

3. Полевые транзисторы изолированным затвором.

Другим типом транзистора с изолированным затвором является МОП-транзистор с индуцированным каналом. Структура транзистора с индуцированным каналом «-типа показана на рисунке.

От МОП-транзистора с встроенным каналом он отличается тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности. При нулевом напряжении канал отсутствует. При этом между стоком и истоком включены два обратно смещенных/т-га-перехода. Один р-п-переход образуется на границе между подложкой и стоком, а другой - между подложкой и истоком.

Таким образом, при нулевом напряжении на затворе сопротивление между стоком и истоком очень велико, ток стока ничтожно мал и транзистор находится в состоянии отсечки. Если между затвором и истоком включен источник напряжения.

Здесь, кроме электродов исток, сток и затвор, имеется еще один электрод (так называемый «подложка»), напряжение на котором также может менять свойства транзистора. Если напряжение на затворе относительно истока отрицательно, то имеет место явление обеднения канала (уменьшение числа носителей заряда): в данном случае электроны выталкиваются из канала в р - область, что приводит к уменьшению тока через канал; при положительном же напряжении затвор-исток наоборот имеет место обогащение канала электронами, пришедших в канал из областей р и п*, что приводит к увеличению тока через канал. Таким образом этот полевой транзистор может работать и при положительных и при отрицательных значениях напряжения затвор-исток. При этом ток через затвор не протекает, так затвор изолирован от канала.

Чем больше напряжение затвор-исток превышает пороговое большее количество электронов втягивается в канал, увеличивая его проводимость.

Структура МОП-транзистора с встроенным каналом п-типа показана на рисунке.

Подложка (кристалл кремния р-типа) служит для создания на ней канала п-типа. У МОП-транзисторов имеется дополнительный вывод от подложки. Металлический затвор отделен от полупроводника слоем диэлектрика. Области стока и истока легированы сильнее, чем канал, и обозначены п- В качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния толщиной 0.002-0.05 мкм, выращиваемый на поверхности кремния п-типа. При подаче отрицательного напряжения на затвор металлический электрод затвора заряжается отрицательно.

Такой режим работы МОП-транзистора, когда концентрация носителей в канале меньше равновесной, называют режимомобеднения. При некоторой величине отрицательного напряжения Uзи канал полностью перекрывается обедненным слоем и ток прекращается. Это напряжение называют напряжением отсечки МОП-транзистора с встроенным каналом и обозначают Uотс.

Выводы:

1. Полевой транзистор (ПТ) — полупроводниковый прибор, в котором регулирование тока осуществляется изменением сопротивления проводящего канала с помощью поперечного электрического поля. Ток полевого транзистора обусловлен потоком основных носителей.

2. Электроды полевого транзистора называют истоком (И), стоком (С) и затвором (3). Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком. Полевой транзистор можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением затвор-исток.

3. По конструкции полевые транзисторы можно разбить на две группы:

- с управляющим р-и-переходом;

- с металлическим затвором, изолированным от канала диэлектриком (МОП-транзисторы).

4. МОП-транзисторы находят широкое применение в современной электронике. В ряде областей, в том числе в цифровой электронике, они почти полностью вытеснили биполярные транзисторы.

4. Области применения полевых транзисторов.

Значительная часть производимых в настоящий момент полевых транзисторов входит в состав КМОП-структур, которые строятся из полевых транзисторов с каналами разного (р- и п-) типа проводимости и широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах.

За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов). Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные кварцевые часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет, потому что практически не потребляют энергии.

Грандиозными темпами развиваются области применения мощных полевых транзисторов. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет получить повышенную чистоту спектра излучаемых радиосигналов, уменьшить уровень помех и повысить надежность радиопередатчиков.

В силовой электронике ключевые мощные полевые транзисторы успешно заменяют и вытесняют мощные биполярные транзисторы. В силовых преобразователях они позволяют на 1-2 порядка повысить частоту преобразования и резко уменьшить габариты и массу энергетических преобразователей. В устройствах большой мощности используются биполярные транзисторы с полевым управлением (IGВТ) успешно вытесняющие тиристоры. В усилителях мощности звуковых частот высшего класса HIFI и HIEND мощные полевые транзисторы успешно заменяют мощные электронные лампы, обладающие малыми нелинейными и динамическими искажениями.

Литература:

1. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники: Учеб. пособие для вузов / — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2004. — 488 с: ил. I.

2. Марголин В,И., Жабрев В.А., Тупик В.А. Физические основы микроэлектроники. - М.: Издательский центр "Академия", 2008. - 400 с.

3. Епифанов Г. И. Физические основы микроэлектроники. М.: «Советское радио», 1971, стр. 376.

Дата добавления: 2014-01-07