Краткие сведения из теории. Цель работы: изучение принципов действия, измерение характеристик и определение основных параметров полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Цель работы: изучение принципов действия, измерение характеристик и определение основных параметров полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и полевого транзистора с изолированным затвором .

Полевые транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, в которых прохождение тока обусловлено дрейфом основных носителей заряда под действием продольного электрического поля. Управление током в полевых транзисторах осуществляется путем изменения электропроводности токопроводящего участка полупроводника поперечным электрическим полем. Это поле создается напряжением, приложенным к управляющему электроду.

Существуют два типа полевых транзисторов: с управляющим p-n-переходом и изолированным затвором структуры металл – диэлектрик - полупроводник, называемые кратко МДП–транзисторами. Вторым элементом в обозначении полевых транзисторов является буква «П», например, КП103, 2П301.

Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом могут быть изготовлены на основе кристалла полупроводника n- или p-типа. Упрощенная структура кристалла полевого транзистора с управляющим p-n-переходом, изготовленного на основе полупроводника n-типа, показана на рис. 1.1.

Транзистор состоит из области n-типа и двух областей p-типа. Области p-типа соединяются вместе и образуют управляющий электрод, называемый затвором (З).

Iс +

δ С Uси

K -

З З

n

p p

-

Uзи

+ И

d

Рис. 1.1. Структура кристалла полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа

На границах раздела полупроводников n- и p-типа образуются запирающие слои, которые обладают высоким сопротивлением. Область полупроводника n-типа, заключенная между p-n-переходами, называется каналом (К). Если к каналу подключить источник постоянного тока (рис. 1.1), то в канале создается продольное электрическое поле, под действием которого электроны перемещаются в канале в сторону положительного полюса подключенного источника.

Область полупроводника, от которой начинают движение основные носители заряда в канале, называется истоком (И), а область, к которой эти носители движутся, - стоком (С). Движение основных носителей заряда в канале за счет напряжения Uси приложенного к стоку относительно истока обусловливает прохождение тока стока Iс в канале и в цепи стока.

На затвор относительно истока подается напряжение Uзи, смещающее p-n-переходы затвор-канал в обратном направлении. При увеличении напряжения Uзи смещающее обратное напряжение на p-n-переходах увеличивается, запирающие слои расширяются, уменьшая при этом сечение канала. В результате этого электропроводность канала и проходящий через него ток уменьшаются. Таким образом, изменяя напряжение на затворе, можно управлять током, проходящим через канал полевого транзистора. При некотором напряжении на затворе может произойти смыкание областей объемного заряда, т.е. канал перекрывается. Напряжение на затворе (при напряжении ), приводящее к перекрытию канала называется напряжением отсечки и обозначается как Uзи отс.

Очевидно, что эффективное управление сечением канала происходит в том случае, если запирающий слой p-n-перехода располагается в основном в исходном полупроводнике. Это достигается выбором концентраций доноров и акцепторов таким образом, чтобы выполнялось условие Nа >> Nд, где Nа – концентрация акцепторов, а Nд – концентрация доноров. При выполнении этого условия глубину проникновения области объемного заряда в основной полупроводник (при напряжении ) можно определить по формуле

где Uк – контактная разность потенциалов; q – заряд электрона.

Поскольку в запирающем слое отсутствуют подвижные носители зарядов, ширина канала, определяющая его площадь сечения и сопротивление, находится из соотношения

(1.1)

где d – расстояние между p-областями (рис. 1.1).

Когда напряжение на затворе (при напряжении ) становится равным Uзи отс, канал перекрывается, и из уравнения (1.1) следует

(1.2)

Равенство (1.2) позволяет оценить значение напряжения отсечки. Поскольку контактная разность потенциалов составляет десятые доли вольта, можно считать, что

(1.3)

Используя равенства (1.1) и (1.3), можно определить ширину канала:

(1.4)

Уравнение (1.4) связывает wк с Uзи, когда и . При Uси > 0 в канале проходит ток стока Iс. Если рассмотреть сечение канала на расстоянии х от истока, то можно утверждать, что на участке канала от истока до сечения падает напряжение U (х), пропорциональное сопротивлению данного участка канала и току Iс. В сечении х напряжение на управляющем p-n-переходе складывается из напряжений Uзи и U (х). В этом случае вместо соотношения (1.4) для определения ширины канала следует пользоваться уравнением

(1.5)

Напряжение U (x) при изменении x от 0 до l (l – длина канала) изменяется от 0 до Uси. Поэтому при Uси > 0 ширина запирающего слоя увеличивается, а сечение канала уменьшается при приближении к стоку (рис. 1.2). Согласно уравнения (1.5), на самом узком участке канала его ширина связана с напряжениями Uзи и Uси соотношением

(1.6)

Таким образом, ширина канала, определяющая его сопротивление и ток стока Iс, зависит от напряжений Uзи и Uси.

З

-

Uзи p

+ - U(x) +

n

И С

p

З I с

- Uси +

Рис. 1.2. Влияние тока стока Iс на ширину канала в различных его сечениях

Входное сопротивление полевого транзистора велико, т.к. управляющий p-n-переход включается в обратном направлении. Поэтому в цепи затвора протекает небольшой ток затвора Iз. Большое входное сопротивление полевых транзисторов является их существенным преимуществом по сравнению с биполярными транзисторами. Условные графические изображения и схемы включения полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом представлены на рис. 1.3. В условных графических изображениях сплошной вертикальной линией обозначен канал полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом.

Рис. 1.3. Условные графические изображения и схемы включения

полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом:

а) – с каналом n-типа, б) – с каналом p-типа

Семейство статических стоковых (выходных) характеристик полевого транзистора с управляющим p-n-переходом, выражающих зависимость при напряжении изображено на рис. 1.4,а. Рассмотрим стоковую характеристику, снятую при напряжении .

Рис. 1.4. Семейство стоковых (выходных) характеристик (а) и

характеристик управления (б) полевого транзистора

с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа

Если бы сопротивление канала не зависело от проходящего через него тока стока Iс, ток Iс был бы связан с напряжением Uси линейной зависимостью, (штрих - пунктирная линия на рис. 1.4,а). Так как ток Iс создает на сопротивлении канала падение напряжения, которое увеличивает области объемного заряда переходов, то увеличение напряжения Uси сопровождается уменьшением площади сечения канала (см. формулу (1.6)) и увеличением его сопротивления, что приводит к замедлению роста тока Iс. При некотором напряжении на стоке, обозначаемом Uсип и называемом напряжением перекрытия, канал в области стока почти перекрывается. Из выражения (1.6) следует, что это происходит при | Uсип | = | Uзи отс |. Ток стока, при котором перекрывается канал, называют начальным и обозначают Iс нач.

Если к затвору полевого транзистора приложить напряжение Uзи, смещающее p-n-переход в обратном направлении, то перекрытие канала наступит при меньшем значении напряжения Uси. Это объясняется тем, что к p-n-переходу между затвором и стоком прикладывается обратное напряжение, равное (| Uзи | + | Uси |). Смыкание переходов произойдет при условии равенства этого суммарного напряжения напряжению отсечки: | Uсип 1| + | Uзи 1| = | Uзи отс | = | Uсип |. Учитывая, что в полевых транзисторах с каналом n-типа Uси > 0, а Uзи < 0 и Uзи отс < 0, получаем: | Uсип 1| = | Uсип | - | Uзи |. Полного перекрытия канала путем увеличения напряжения Uси получить нельзя, поскольку само перекрытие является следствием прохождения тока стока. В результате автоматически устанавливается некоторая малая ширина канала.

Область стоковых характеристик, которая соответствует напряжениям 0 < Uси < Uсип 1, называется крутой или омической. Такое название связано с тем, что дифференциальное сопротивление канала полевого транзистора в данной области определяется напряжением на затворе. Вследствие этого полевые транзисторы широко используются в качестве переменных резисторов, управляемых электрическим способом.

Участки стоковых характеристик, снятые при Uси > Uсип 1, соответствуют перекрытию канала (или насыщению). При напряжении Uси, большем напряжения перекрытия, увеличиваются: длина перекрытой части канала и его сопротивление. Если бы длина перекрытой части канала линейно зависела от напряжения Uси, то с ростом напряжения Uси пропорционально увеличивалось бы сопротивление канала, а проходящий через него ток стока оставался бы постоянным. На самом деле длина перекрытой части канала зависит от напряжения Uси так же, как глубина проникновения области объемного заряда в канал. Согласно этому, длина перекрытой части канала и его сопротивление пропорциональны и увеличиваются с ростом напряжения Uси более медленно. Поэтому в области перекрытия канала увеличение напряжения Uси сопровождается небольшим возрастанием тока стока.

Начальный ток стока Iс нач и напряжение отсечки Uзи отс определяются размерами и физическими параметрами полупроводникового кристалла (подвижностью основных носителей заряда, диэлектрической проницаемостью), а также законом распределения примесей в канале.

Статическая вольт – амперная характеристика передачи, называемая также проходной или характеристикой управления полевого транзистора, отображает зависимость при напряжении в режиме перекрытия канала. Она может быть получена экспериментально либо путем перестроения стоковых характеристик, как показано на рис. 1.4. Данная характеристика показывает, что при увеличении Uзи, смещающего p-n-переход в обратном направлении, ток стока уменьшается, а при Uзи = Uзи отс, (рис. 1.4,б), ток стока становится равным нулю.

В полевых транзисторах с изолированным затвором затвор изготавливается в виде металлической пластины, которая изолирована пленкой диэлектрика от полупроводника. Роль канала в таких транзисторах выполняет тонкий поверхностный слой полупроводника с измененным типом электропроводности и расположенный непосредственно под затвором.

В зависимости от способа изменения типа электропроводности поверхностного слоя полупроводника, различают транзисторы с индуцированным и встроенным каналами. Такие приборы называют МДП–транзисторами, имеющие структуру металл – диэлектрик – полупроводник. В транзисторах, изготовленных на основе кремния, в качестве диэлектрика обычно используется диоксид кремния SiO2, поэтому такие МДП-транзисторы часто называют МОП - транзисторами.

Упрощенная структура МДП–транзистора с индуцированным каналом p-типа показана на рис. 1.5,а. В полупроводнике n-типа, называемом подложкой, методом диффузии образованы две p⁺-области, не имеющих между собой электрического соединения. Одна из них называется стоком, другая – истоком. Эти области отделены друг от друга двумя включенными встречно p-n-переходами, образованными на границах p- и n-областей. Поэтому если между стоком и истоком включить источник постоянного напряжения Uси, то в цепи пойдет очень маленький ток, обусловленный обратным током p-n-переходов.

Рис. 1.5. Структура кристалла полупроводника МДП–транзистора

с индуцированным каналом p-типа

Если к металлическому затвору приложить отрицательное напряжение, относительно подложки (рис. 1.5,б), то под действием электрического поля начнется оттеснение электронов от поверхности полупроводника, расположенной напротив затвора, в глубь полупроводника. В результате этого в приповерхностном слое образуются свободные уровни – дырки. При некотором значении внешнего напряжения на затворе концентрация дырок в этом слое может оказаться больше, чем концентрация электронов. В этом случае произойдет инверсия типа электропроводности. Слой с инверсной дырочной электропроводностью, отделенный от полупроводника n-типа областью, обедненной свободными носителями заряда, соединяет p⁺-области стока и истока, т.е. служит каналом.

Если между стоком и истоком включить внешний источник напряжения Uси, то при некотором значении напряжения на затворе, которое называется пороговым (Uзи пор), в цепи сток-исток пойдет электрический ток. В канале транзистора этот ток обусловлен движением дырок. Так как дырки должны двигаться от истока к стоку, источник внешнего напряжения Uси следует подключать отрицательным полюсом к стоку, а положительным – к истоку (рис. 1.5,б). Из-за падения напряжения на канале при прохождении по нему тока электрическое поле вблизи истока оказывается больше, чем вблизи стока, вследствие чего канал у истока шире, чем у стока.

При увеличении отрицательного напряжения на затворе глубина проникновения инверсного слоя в полупроводник будет увеличиваться. Это приведет к увеличению электропроводности канала и к росту тока стока. Режим работы полевого транзистора, при котором увеличение абсолютного значения напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока, называется режимом обогащения. Следовательно, МДП–транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения и поэтому называются полевыми транзисторами обогащенного типа.

Если на затвор МДП–транзистора с рассмотренной структурой подать положительное напряжение, произойдет приток электронов к поверхности полупроводника, p⁺-области стока и истока окажутся разделенными областью с электропроводностью n-типа и ток стока уменьшится до очень малого значения, определяемого обратным током p-n-переходов, включенных навстречу друг другу.

Статические стоковые (выходные) характеристики и статические характеристики управления МДП–транзистора с индуцированным каналом p-типа показаны на рис. 1.6. Статические выходные характеристики МДП–транзистора с индуцированным каналом (рис. 1.6,а), выражающие зависимость при напряжении снимаются при напряжениях на затворе, превышающих пороговое значение. Если бы с ростом напряжения Uси ширина индуцированного канала не изменялась, т.е. его сопротивление оставалось бы постоянным, то зависимость была бы линейной. Однако при увеличении тока стока увеличивается падение напряжения на сопротивлении канала, вследствие чего канал вблизи стока сужается. Когда ток стока достигает определенного значения, канал вблизи стока почти перекрывается и происходит ограничение тока стока также как в транзисторах с управляющим p-n-переходом. При увеличении отрицательного напряжения на затворе стоковые характеристики смещаются вверх. Это обусловлено увеличением ширины канала и его электропроводности.

Рис. 1.6. Семейство стоковых (выходных) характеристик (а) и характеристики управления (б) МДП-транзистора

с индуцированным каналом p-типа

Выходные характеристики МДП–транзисторов с индуцированным каналом описываются следующими аналитическими зависимостями:

в крутой области

в пологой области

(1.7)

где β – коэффициент с размерностью (А/В²), зависящий от размеров кристалла и материала диэлектрика.

Статические характеристики управления МДП–транзистора с индуцированным каналом (рис.1.6,б) выражают зависимость при напряжении Эти характеристики обычно приводятся для режима насыщения и описываются уравнением (1.7). Они могут быть получены путем перестроения выходных характеристик для заданного значения Uси.

Условные графические изображения и схемы включения МДП–транзисторов с индуцированным каналом представлены на рис. 1.7. В данных полевых транзисторах канал обозначается вертикальной пунктирной линией.

Рис. 1.7. Условное графическое изображение и схема включения

а) МДП-транзистора с индуцированным каналом p-типа,

б) – n-типа.

К дифференциальным параметрам полевых транзисторов относятся:

- проводимость прямой передачи, или крутизна характеристики управления,

g 21 и = Sпт = d Ic / d Uзи при Uси = const;

- выходная проводимость, или выходное (внутреннее) сопротивление,

g 22 и = 1/Riпт = d Ic / d Uси при Uзи = const;

- входное сопротивление

Rвх = 1/g 11 и = d Uзи / d Iз при Uси = const;

- проводимость обратной связи

g 12 и = d Iз / d Uси при Uзи = const;

Кроме того, вводится параметр, называемый статическим коэффициентом усиления,

μпт = d Uси / d Uзи при Ic = const.

Параметры Sпт, Riпт и μпт связаны между собой соотношением: μпт = SптRiпт. Все дифференциальные параметры можно определить по статическим характеристикам полевых транзисторов, заменив в их формулах дифференциалы токов и напряжений на соответствующие приращения этих токов и напряжений. Так как характеристики полевых транзисторов нелинейны, то значения дифференциальных параметров зависят от положения выбранной рабочей точки «А» (рис. 1.6.).

Дата добавления: 2015-05-06