Статические вольтамперные характеристики полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом

Полевые транзисторы с p-n -переходом, в отличие от биполярных, не имеют входных характеристик в связи с отсутствием входного тока. Основными их характеристиками являются выходные (стоковые) и переходные (стоко-затворные).

Выходные характеристики полевого транзистора представляют собой зависимость тока стока отнапряжения сток-исток при постоянном напряжении затвор-исток:

I _с = f (U _си)при U _зи= const.

Характеристики, снятые при разных значениях неизменной величины U _зи, составляют семейство выходных статических характеристик.

Переходные (стоко-затворные) характеристики полевого транзистора представляют собой зави-симость тока стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении сток-исток:

I _с = f (U _зи)при U _си = const.

Поскольку наклон выходных характеристик невелик, для практических целей можно ограничиться одной переходной характеристикой.

Принципиальная схема установки приведена на рис. 22. В ее состав входят источник питания с вы-ходным напряжением 5 В 1, потенциометр 2 для задания напряжения затвор-исток U _зи и вольтметр 3 для его измерения; источник питания с регулируемым от 0 до некоторого максимального значения вы-ходным напряжением 7 для задания напряжения сток-исток U _си и вольтметр 6 для измерения напряже-ний Uси.

На рис. 23, а, приведено семейство выходных характеристик полевого транзистора с управляющим p-n -переходом и каналом n -типа.Каждая из характеристик имеет два принципиально различных участ-

ка.

		5
–	2	4	+
1			7
+	3	6	–

_И ЗАТВОР _{С И}ЗАТВОР_С

КАНАЛ ^КАНАЛ

а) б)

Рис. 24 Сужение канала полевого транзи-

Рис. 22 Схема установки для снятия статических характеристик		стора
полевого транзистора с управляющим p-n -переходом и каналом		Начальный участок	характеризуется
	n -типа
I с					I С	быстрым ростом тока стока при возраста-
U зи= 0В						нии напряжения сток-исток. При дальней-
U зи= 0,25 U 0				шем увеличении этого напряжения рост
			тока замедляется, и характеристика пере-
U зи= 0,5 U 0						ходит на другой, почти	горизонтальный
					участок.
U зи= 0,75 U 0				Такое поведение выходных характери-
U з= U 0						стик объясняется явлением сужения кана-
					ла при возрастании падения напряжения
						на канале в направлении от истока к стоку,
U си= const	U СИ	U 0	U зи
а)				что вызывает рост обратного напряжения
			б)			на управляющем p-n -переходе. Начальная
Рис. 23 Статические характеристики полевого тран-
	и конечная стадии этого процесса приве-
	зистора
				дены на рис. 24, а, б. Максимальное суже-
с управляющим p n переходом и каналом n типа:

ние канала называется перекрытием кана-ла,а такой режим работы транзистора– режимом насыщения. Именно ему соответствует пологий,поч-ти горизонтальный участок характеристики.

Режим насыщения используется при работе полевого транзистора в схемах усиления, где они позволяют получать параметры, недостижимые в усилителях на биполярных транзисторах. На начальном крутом участке выходной характеристики полевой транзистор работает в режиме управляемого напряжением омического со-противления. Такой режим широко применяется в различных системах автоматического регулирования.

Полевые транзисторы с p-n -переходом и каналом p -типа имеют такое же устройство и принцип действия; по сравнению с транзисторами с каналом n -типа они требуют противоположной полярности источников питания.

		4.3 ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ
			(МОП-ТРАНЗИСТОРЫ)
Основой полевого транзистора данной структуры является подложка – монокристалл кремния с от-
носительно небольшой дырочной (Si- р) или электронной (Si- n) электропроводимостью. На одной из
сторон подложки технологически формируют тонкий слой диэлектрика с высоким удельным сопротив-
лением, обычно двуокиси кремния, толщиной 0,2...0,3 мкм. На часть внешней поверхности диэлектрика
осаждают слой алюминия – этот электрод называют затвором транзистора.
Такую структуру характеризуют аббревиатурой МОП: металл-окисел-полупроводник (существуют
также транзисторы, изготовленные по несколько отличной технологии, которой более соответствует
структура		металл-диэлектрик-полупроводник,		сокращенно		МДП).
У некоторых транзисторов структуры МОП два затвора. Такие транзисторы называют иногда МОП-
тетродами.
В подложке (рис. 25, а) непосредственно под диэлектриком формируют канал – область, электро-
проводность которой противоположна по знаку и больше по значению, чем остальной объем подложки.
Канал с электронной проводимостью называют для краткости n -каналом, а с дырочной – р -каналом.
Различают каналы встроенные – сформированные в процессе производства транзисторов – и индуциро-
ванные (подробнее о них ниже).Концы канала обладают большей удельной электропроводностью,об-
разуя электроды исток и сток транзисторов. Электроды принято обозначать буквами: подложка – П, ис-
ток – И, сток – С, затвор – З. Носители движутся в канале от истока к стоку. В одних типах полевых
транзисторов подложка имеет отдельный вывод, в других – ее соединяют с истоком.
Встроенный n -канал транзисторов (серии КП305, КП313) создают при их изготовлении введением в
часть объема подложки под диэлектриком донорной примеси. Между каналом и остальным объемом
И	З	С		С	подложки образуется р-n -переход.
	При наличии между стоком и истоком
				П	постоянного	напряжения U си	(плюсом к
				стоку) электроны в канале начинают пе-
ПОДЛОЖКА (Р -	З	И	ремещаться. Этот ток называют током
б)		стока I с. Если теперь между затвором и
а)				истоком приложить постоянное напряже-
	КАНАЛ
И	З			ние U зи, то в диэлектрике возникнет элек-
С		С	трическое поле, изменяющее ширину и
					электропроводность канала. В результате
				П	будет изменяться и ток стока. Электро-
			З	И	проводность канала и ток стока увеличи-
ПОДЛОЖКА (Р -	ваются	при	уменьшении отрицательного
г)		напряжения	на затворе	до нуля и далее
в)				при увеличении положительного напря-
Рис. 25 Устройство и условные графические изображения полевых	жения.	Увеличение	электропроводности
транзисторов с изолированным затвором и отдельным выводом	канала	называют обогащением канала, а
		от подложки:		уменьшение – обеднением. В транзисторе
		а, б –со встроенным каналом n -типа;
		в, г –с индуцированным каналом n -типа		структуры	МОП	с	двумя	затворами
ток стока независимо от другого.		(КП306, КП350) каждый из них влияет на

В транзисторах с индуцированным каналом (рис. 25, в) в отсутствие напряжения на затворе канала нет – вся подложка (кроме истока и стока) имеет однородную электропроводность.

У транзистора с подложкой из кремния р -Si (КП901, КП904) на стоке, как у транзистора со встро-енным каналом, должно быть положительное по отношению к истоку напряжение. Если и на затворе напряжение будет положительным, в диэлектрике возникнет электрическое поле, в прилегающей к ди-электрику области подложки будут индуцироваться электроны, тип проводимости подложки в этой об-ласти начнет изменяться с дырочного на электронный – будет формироваться n -канал и начнется пере-мещение электронов от истока к стоку. При увеличении напряжения U _зи канал будет расширяться, а его электропроводность и ток стока увеличиваться.

В транзисторе с подложкой из кремния n -Si (КП301, КП304) процессы протекают аналогично, если на стоке напряжение отрицательно. Канал р -типа индуцируется при отрицательном напряжении на за-творе, а ток стока определяет перемещение дырок.

Подчеркнем, что транзисторы структуры МОП с индуцированным каналом работают в режиме обо-гащения; при некотором пороговом напряжении U _{зи пор} ток стока практически прекращается. Следова-тельно, транзистор работает в линейном режиме только при условии, что на его затвор подано постоян-ное напряжение смещения.

На схемах структурные разновидности транзисторов МОП изображают по-разному, однако у всех вариантов есть общий элемент: затвор и подложка гальванически разобщены. Это хорошо согласуется с другим, также часто применяемым названием приборов рассматриваемой группы – полевые транзисто-ры с изолированным затвором.

Необходимо отметить, что тонкий слой диэлектрика на подложке имеет очень малую электриче-скую прочность. Поэтому транзисторы структуры МОП надо оберегать от наводок и статического элек-тричества. В частности, при хранении и транспортировке выводы транзисторов должны быть замкнуты между собой.

Выходные характеристики полевых транзисторов с изолированным затвором аналогичны характе-ристикам полевых транзисторов с управляющим p-n -переходом. При этом между тремя типами полевых транзисторов есть и существенные отличия.

Канал транзисторов с управляющим p-n -переходом полностью открыт при нулевом напряжении на затворе, при возрастании отрицательного напряжения на затворе канал сужается, при некотором отри-цательном напряжении, называемом напряжением отсечки U _отс, канал полностью перекрывается.

Встроенный канал МОП-транзистора при нулевом напряжении на затворе имеет некоторую сред-нюю ширину, расширяется при положительных напряжениях на затворе и сужается вплоть до перекры-тия при отрицательных напряжениях на затворе. Поэтому говорят, что он работает в режимах обогаще-ния и обеднения.

Индуцированный канал МОП-транзистора при нулевом напря-жении на затворе отсутствует и фомируется при некотором положительном пороговом напряжении U _пор.Поэтому говорят,что он работает только в режиме обогащения.Этим различиям соответствуюттри различные переходные характеристики, изображенные на рис. 26. Характеристика 1 соответствует

I _C

1 2 3

						U зи
U oтc	U отс	U пор
		режим		режим
		обеднения		обогащения
		канала		канала

Рис. 26 Обобщенные переходные характеристики полевых транзисторов:

1 –с управляющим p-n -переходом; 2 –с изолированным затвором

и встроенным каналом; 3 – с изолированным затвором

и индуцированным каналом

полевому транзистору с управляющим p-n -переходом, характеристика 2 – МОП-транзистору со встро-енным каналом, характеристика 3 – МОП-транзистору с индуцированным каналом (все каналы имеют электронную проводимость).

В заключение отметим, что основным параметром, характеризующим полевой транзистор как уси-лительный прибор, является крутизна переходной (стоко-затворной) характеристики

S = ∆ I _с/∆ U _зи.

Она может быть определена как по семейству входных характеристик при заданном напряжении сток -исток U _си, так и по переходной характеристике.

Контрольные вопросы

1 Опишите принцип работы полевого транзистора с управляющим р-n -переходом.

2 Чем отличаются полевые транзисторы с управляющим р-n -переходом от полевых транзисторов с изолированным затвором?

3 Чем отличаются полевые транзисторы с изолированным затвором с индуцированным каналом от транзисторов со встроенным каналом?

4 Какими характеристиками и параметрами описывают свойства полевых транзисторов?

5 В чем заключается основное отличие полевых транзисторов от биполярных?

Дата добавления: 2015-05-06