Полевые транзисторы

Эти приборы обладают рядом преимуществ перед биполярными.

1. В полевых транзисторах применяется полевой принцип управления. Ко входу транзисторы подводится напряжение, которое образует электрическое поле, управляющее выходным током. Такой принцип работы не требует тока во входной цепи и потому входное сопротивление бесконечно велико (10¹⁴ - 10²⁰ Ом).

2. Малый уровень шумов. Собственные помехи малы, поэтому транзистор способен усиливать слабые сигналы.

3. Лучшая температурная стабильность параметров.

4. Лучшая радиационная стойкость.

5. Меньшие размеры в интегральном исполнении.

6. Принципиальная возможность взаимозамены двух выводов, стока и истока, что весьма существенно в микросхемах.

Разберем принцип работы полевого транзистора с р-n переходом. Его структура

показана на рис.1. Канал, в данном примере имеет электронную проводимость, а затвор дырочную. Образовавшийся p-n переход несимметричный и это принципиально. Количество примесей в области затвора больше, чем в области канала. Поэтому основная толщина самого контакта простирается в области канала. Затвор по периметру охватывает область канала.

Рис.1 Полевой транзистор с p-n переходом

Подадим положительное напряжение на сток и отрицательное напряжение на затвор. Имеющийся p-n переход будет включен в обратном направлении и ток по выводу затвора практически равен нулю. Особо отметим это свойство транзистора.

При протекании тока в канале под затвором образуется падение напряжения в канале, которое является обратным для р-n перехода, причем, ближе к истоку U₁оно будет меньше, чем ближе к стоку U₂. Таким образом, p-n переход оказывается под разными обратными напряжениями. От этого зависит его ширина. Вспомните поведение барьерной емкости- чем больше обратное, тем толще переход. Так как U₂ (падение напряжения в канале)> U₁, в сечении 2 толщина p-n перехода будет больше, рис.2.

Рис. 2 Канал полевого транзистора

С ростом напряжения на стоке Uст, увеличивается то в канале I стока. Обратные напряжения для p-n перехода увеличиваются, причем U2 гораздо быстрее, чем U1. Толщина перехода увеличивается,за счет чего сечение канала уменьшается, его сопротивление растет и ток в канале начинает ограничиваться. Таким образом, рост тока стока замедляется.

Еще раз отметим последовательность событий. Если увеличивается I стока, растут обратные для р-n перехода напряжения U_2, U₁, происходит его расширение, сечение канала уменьшается и наступает самоограничение тока Iстока. Все это получило отражение на выходной стоковой характеристики, рис. 3.

Рис. 3. Стоковые (выходные) характеристики транзистора.

Если теперь подключить источник минусом на затвор (рис.4), то обратное напряжение на переходе возрастет, канал еще более сузится и ток по стоку уменьшится. На рис. 3 этот случай отражен во второй характеристики семейства при Uз=-1В. Итак, мы получили возможность управлять током стока с помощью напряжения на затворе; заметим, что p-n переход при этом управлении остается закрытым, что обеспечивает высокое входное сопротивление транзистора. Обратите внимание и на то, что полярности источников на затворе истоке различные. В схемотехнических задачах это не совсем удобно.

Рис. 3 Включение источников к полевому транзистору

Полевые транзисторы с переходом имеют графическое изображение на электрических схемах различное при p и n каналах, рис. 5.

Рис. 5 Графическое изображение полевого транзистора

а) p канал, в) n канал

Помимо стоковых характеристик имеются еще характеристики прямой передачи, это зависимость тока стока от напряжения затвора. Ее вид показан на рис. 6 для р –канального транзистора. Для n – канального ее вид подобен, но расположена она в области положительных напряжений затвора.

Рис. 6. Характеристика прямой передачи полевого транзистора

Полевой транзистор Шоттки имеет тот же принцип действия – модуляция сечения канала за счет расширения области контакта металл – полупроводник. Его структура показана на рис. 7.

Рис. 7 Полевой транзистор Шоттки

Напомним основные свойства контакта металл – полупроводник. При соотношении работ выхода электронов Wn<Wм, электроны из полупроводника переходят в металл. Образуется в n полупроводнике область обедненная носителями тока – диэлектрик. Ее расширение или сужение под действием напряжения на затворе происходит вглубь канала, что и приводит в конечном итоге к изменению тока стока.

Стоковые (выходные) характеристики транзисторы имеют такой же вид, что и у предыдущего с p-n переходом.

Более разнообразны полевые структуры МОП (МДП).на рис.8 показана структура МОП транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом. Его основа – полупроводниковый кристалл, обычно кремния, с проводимостью р. Имеется две области n+ с повышенной концентрацией примеси: это сток и исток.

Рис. 8 МОП транзистор с индуцированным каналом.

Сверху кристалл покрыт тонкой пленкой SiO₂ (0.8мкм), которая является хорошим диэлектриком и защищает транзистор от механических воздействий. На диэлектрик напыляется металлическая пленка, границы которой точно совмещены с границами n+ областей. Это металлический затвор.

Если напряжение на затворе отсутствует, ток стока равен нулю при любой полярности приложенного напряжения; структура n+ - p - n+ - два встречно включенных диода.

В p подложке основными носителями являются дырки, но за счет генерации носителей через запрещенную энергетическую зону кремния, появляются и электронные носители (см. выше понятия генерации и рекомбинации). Это не основные носители, их сравнительно мало, но они есть. И вот здесь они играют ключевую роль.

Подадим на затвор положительное напряжение. Поскольку затвор изолирован от всего, это пластина конденсатора, под ним возникает напряженность электрического поля Е, направленная вглубь подложки. Электроны подложки начинают притягиваться к поверхностному слою, непосредственно под пластиной затвора. Это явление происходит по всей площади и так как границы затвора совмещены с границами стока и истока в поверхностном слое происходит инверсия типа проводимости; была n+ - p - n+, стала n+ - n - n+. В полевой структуре образовался канал. Конечно, это наступает только при определенной величине напряжения, Uпор. Для таких структур в дискретном исполнении Uпор=4-7 В. Больше напряжение на затворе, больше напряженность электрического поля, больше электронов в канале и больше ток стока. Характеристика прямой передачи транзистора показана на рис. 9.

Рис. 9 Характеристика прямой передачи

Далее будем менять напряжение на стоке. Ток стока увеличивается, в канале возникает падение напряжения. Из за сопротивления канала оно будет расти по направлению к стоку и представлять некоторую компенсацию напряженности поля затвора. Отсюда следует, что у стока напряженность поля затвора будет сильно ослаблена, число электронов в в канале не велико и канал сузится. Точно так же, как и в полевом транзисторе с p-n переходом произойдет самоограничение тока стока. Это обстоятельство формирует стоковую, основную, характеристику транзистора. Она изображена на рис. 10 и отражает управляющую роль затвора.

Рис. 10 Стоковые характеристики МОП транзистора

Такие транзисторы работают в режиме обогащения канала. Особо обратим внимание на то, естественное состояние транзистора закрытое, для этого на него не надо ничего подавать. Это обстоятельство очень удобно при проектировании цифровых схем, в которых интерес представляет два состояния, закрытое и открытое. Это и определило область его использования.

Существует и другой тип МОП структур. В процессе изготовления в область между стоком и истоком (канала) вносится электронная примесь (рис.11). От истока к стоку имеем структуру n+ - n – n+, которая уже изначально проводит ток. Электроны из созданного канала можно удалять, на затвор для этого подается отрицательное напряжение –Uз, или привлекать, подав +Uз. Таким образом, канал можно обеднять и обогащать носителями. Вольт – амперные формируются под влиянием этого и показаны на рис. 12.

Рис. 11 Структура полевого транзистора со встроенным каналом

а) б)

Рис. 12 Стоковые а) и прямой передачи б) характеристики

полевого транзистора со встроенным каналом

Особенностью этого транзистора является то, что при отсутствии напряжения на затворе структура находится в активном режиме, то – есть, способна усиливать сигнал. Поэтому такие транзисторы весьма удобны в усилительных схемах.

Мы рассмотрели полевые МОП транзисторы. Противоположная проводимость канала ничего в принципе работы не меняет; изменятся только полярности источников питания и рассуждения о поведении электронов заменятся рассуждениями о дырках.

Условные графические изображения транзисторов на схемах показаны на рис. 13.

а) б)

в) г)

Рис. 13 Условное графическое изображение МОП транзисторов:

а) встроенный n канал, б) встроенный р канал,

в) индуцированный n канал, г) индуцированный р канал,

И – исток, С – сток, З – затвор, П – подложка.

По выводу подложки можно, хотя и не очень эффективно, управлять током стока, это как бы второй управляющий электрод. Чаще всего в схемах его соединяют с истоком.

Заканчивая эту тему, обратим внимание на следующее. Вход МОП транзистора по затвору изолирован слоем диэлектрика SiO₂от подложки и канала. Поэтому входное сопротивление равно практически бесконечности. Это очень важное преимущество, так как на выход источника входного сигнала, например, такого же транзистора можно включить большое количество транзисторов. В логических схемах это называется большим коэффициентом разветвления по входу.

Для всех электронных приборов вводятся схемы замещения, которые хотя и не строго объясняют его характеристики, но позволяют значительно облегчить анализ их работы в схеме. Существует такая схема замещения (рис. 14) и для полевого транзистора. Она отражает его возможности как усилителя с определенными выходными параметрами. На высокой частоте, когда необходимо учитывать влияние межэлектродных емкостей С_{сток-исток}, С_{затвор-исток}, С_{затвор-сток}, в схему добавляются соответствующие конденсаторы.

Рис. 14 Схема замещения полевого транзистора на низкой частоте

По этой схеме вводятся параметры: Ri – выходное сопротивление по стоковому выводу Ri= ΔIc/ΔUc, S - крутизна характеристики S=ΔIc`/ΔUз. Эти параметры можно определить по стоковым характеристикам. Все необходимые приращения для этого показаны на рис. 15.

Рис. 15 Определение параметров транзистора

Основные области применения МОП транзисторов следующие. Транзисторы со встроенным каналом используются как усилители; транзисторы же с индуцированным каналом применяются для построения логических схем.

Дата добавления: 2014-01-20