Технические дисциплины - Электроника

Полевые транзисторы

- это полупроводниковые приборы, у которых для управления током используется зависимость электрического сопротивления токопроводящего слоя (канала) от напряжённости поперечного электрического поля.

Каналом служит тонкий слой однородного полупроводника n-типа или p-типа. Внешние выводы от начала канала и до его конца называются истоком и стоком. Управляющий электрод - затвор - располагается над каналом и электрически изолирован от него. Изменение потенциала затвора приводит к изменению толщины канала, т.е. его проводимости.

Для изоляции затвора от канала используют:

1)   обратно смещенный p-n переход (транзисторы с p-n-затвором),

2)   диэлектрик (двуокись кремния SiO2) - транзисторы с изолированным затвором, или МДП-транзисторы (МОП).

Тонкий слой полупроводника, который служит каналом (доли мкм), располагают на подложке – более толстой пластине полупроводника противоположного типа проводимости. Для электрической изоляции канала от подложки p-n-переход между ними должен быть смещен также обратно.

 

4.1 Транзисторы с управляющим p-n-переходом

 

Над поверхностью канала имеется сильно легированная p-область, которая служит затвором.  Для хорошего контакта с выводами стока и истока концы n-канала тоже сильно легированы.  P-n - переходы между затвором и каналом должны быть смещены в обратном направлении.  Для этого на затворе должно быть отрицательное напряжение, а на канале - положительное относительно подложки.  В транзисторе с p-каналом затвор и подложка должны иметь n-электропроводность и полярности напряжений противоположны.  Обычно напряжения на затвор и сток подают относительно истока, с которым соединяют и подложку.

 

n-канал                                                             p-канал

Ic Ic

+                                                            -

Uзи Uси + Uси

+       Uзи

+

 

 

 

Влияние напряжения на затворе на сопротивление канала

Обратное напряжение между затвором и каналом расширяет p-n-переход и за счет этого уменьшается толщина канала.      Толщина перехода изменяется в основном за счет слабо легированной области канала; w0 - начальная толщина.     При некотором напряжении Uзи.отс канал полностью перекрывается (w=0):

.

При нулевом напряжении Uзи=0 сопротивление канала мало: Ом , а при Uзи® Uзи.отс Rcи.откр®µ.

Влияние напряжения стока

 

Если на канале есть напряжение Ucи, то разность потенциалов между затвором и каналом в каждой его точке различна: у истока она равна Uзи , а у стока равна сумме | Uзи | + | Uси | . Поэтому толщина канала в области стока меньше, чем в области истока. При некотором напряжении Uси = Uси.нас , когда сумма  |Uзи| + |Uси.нас | =  |Uзи.отс| , происходит перекрытие канала возле стока:

Uси.нас = | Uзи.отс Uзи |

При дальнейшем увеличении Uси участок перекрытия канала расширяется и его сопротивление возрастает.

 

 

 

Под действием приложенного напряжения Uси. в канале появляется ток за счет движения основных носителей. Через обедненный участок перекрытия перенос носителей происходит за счет экстракции с помощью ускоряющего электрического поля.

Вольт-амперные характеристики

 

Выходные характеристики в схеме с общим истоком: Ic=f(Uси) при Uзи=const

 

 

Ucи.нас = |Uзи.отсUзи|

При повышении напряжения на стоке выходной ток возрастает, но при этом уменьшается толщина канала по его длине и возрастает сопротивление, поэтому зависимость Ic от Uси нелинейна, постепенно замедляется рост тока. Когда Uси достигает напряжения насыщения Uси.нас, прекращается рост тока (по упрощенной теории). Горизонтальный участок выходной характеристики называется участком насыщения. Реальные характеристики в области насыщения имеют небольшой наклон. Чем больше запирающее напряжение на затворе, тем раньше наступает перекрытие канала: при меньшем Uси наступает насыщение, и ток насыщения Iс.нас оказывается меньшим.

Передаточные (стоко-затворные) характеристики

определяют зависимость Ic=j(Uзи)  при Uси=const.

Обычно их строят для Uси > Uси.нас

Максимальное значение тока стока при Uзи = 0 называется начальным током Iс.нач

 

 

Дифференциальные параметры

 

Ток стока зависит от 2 переменных: напряжений Uзи. и Ucи..

Приращение тока:

DIc = SDUзи + GсиDUcи ,

или в системе Y- параметров:

DIc = Y21DUзи+Y22DUcи

Здесь Y21 или S - это проводимость прямой передачи или крутизна передаточной характеристики:

S=dIc/dIзи при Ucи=const

Из-за нелинейного вида передаточной характеристики крутизна зависит от начальной точки на кривой:

S = (2Ic.нач./Uзи.отс), мА/В

S имеет максимальное значение при Uзи =0 и линейно убывает до нуля при запирании транзистора. S измеряется в мА/В.

Y22 или Gси - выходная проводимость:

Gси = dIc/dUси при Uзи = const

может быть определена по выходным характеристикам. Величина Gси у полевого транзистора очень мала, ее наличие обусловлено изменением эффективной длины канала при изменении напряжения Uси.

Малосигнальная схема для переменных составляющих

 

С повышением частоты колебаний напряжений и тока сказывается влияние междуэлектродных емкостей, которые снижают показатели транзистора:

1)   уменьшается крутизна ,

2)  появляются емкостные составляющие входного и выходного тока,

3)  появляется цепь внутренней обратной связи через проходную емкость, которая может нарушить устойчивую работу в схеме усилителя.

C11 = Cзи - входная емкость, C22 = Cси - выходная емкость,

C12 = C - проходная емкость, C - распределенная емкость между затвором и активной частью канала, rк - поперечное сопротивление этого слоя.

Цепочка C rк снижает крутизну, т.е. эффективность управления на высоких частотах сигнала:

,

где  – предельная частота крутизны транзистора. На этой частоте S уменьшается в  раз по сравнению с низкими частотами. Реальные значения fs - десятки МГц.

На низких частотах входной ток в цепи затвора отсутствует. Входное сопротивление очень велико: Rвх = 106..109 Ом ; Iз.ут. = 0,05...0,1мкА..

 

4.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором

Затвор - тонкая металлическая пленка - изолируется от канала - слоя полупроводника - с помощью слоя диэлектрика - обычно SiO2. Эти транзисторы называются МДП (металл-диэлектрик-полупроводник), или МОП (металл-окисел-полупроводник) транзисторами. Для изоляции канала от подложки, в качестве которой используется кристалл полупроводника противоположной электропроводности, служит обычно смещенный p-n-переход “канал-подложка”.

Различают МДП-транзисторы с индуцированным и встроенным каналом.

В конструкции МДП-транзистора с индуцированным каналом проводящего слоя между сильно легированными областями стока и истока нет. Сопротивление участка “сток-исток” очень велико: два встречно включенных перехода p-n.

Если на затвор подать достаточно большой отрицательный потенциал, он “вытягивает” дырки  из p-областей стока и истока и даже из подложки. При некотором значении UЗ.И.пор концентрации дырок в промежутке сток–исток становится преобладающей, –  появляется проводящий канал с проводимостью типа p. Такой режим называется обогащением.

Стрелка от p-канала к n-подложке. Аналогично на p-подложке может быть получен канал типа n.

Для появления канала на затвор нужно подать положительное напряжение, по величине выше UЗ.И.пор. Толщина канала 0.1..0.2 мкм регулируется напряжением UЗИ.

 

Полярность напряжения сток-исток должна смещать переход канал-подложка в обратном направлении: для p-канала UСИ<0, для n-канала UСИ>0, т.е. полярности напряжений на затворе и стоке совпадают:

В этом случае толщина канала по его длине неодинакова: больше у истока и уменьшается по мере приближения к стоку. При UСИ=UСИ.НАС наступает отсечка канала возле стока, а если UСИ>UСИ.НАС, то отсекается часть канала, через которую носители заряда проходят путем экстракции, т.е. за счет дрейфа через обедненный участок канала.

Передаточные характеристики

 

Ic=f(UЗИ)  при UСИ=const имеют вид параболы.


Выходные характеристики

Ic=j(UСИ) при UЗИ=const имеют крутые участки при UСИ<UСИ.НАС и пологие участки в режиме насыщения. Напряжение насыщения соответствует нулевой толщине канала возле стока, т.е. UЗИUСИ.НАС = UЗИ.ПОР , откуда UСИ.НАС = UЗИ UЗИ.ПОР.

 

 

В МДП-транзисторах со встроенным каналом слой полупроводника между истоком и стоком создается при изготовлении транзистора, т.е. при UЗИ=0 канал существует. Его толщина изменяется при изменении напряжения затвор-исток: при одной полярности увеличивается (режим обогащения), при другой - уменьшается (режим обеднения), вплоть до исчезновения канала, т.е. отсечки. Обозначение транзисторов со встроенным каналом:

 

 

 

Передаточные характеристики

Выходные характеристики

по форме такие же, как и у транзистора с индуцированным каналом.

 

 

Эквивалентная схема МДП-транзистора такая же, как и транзистора с p-n-переходом. Но параметры значительно отличаются. Малы междуэлектродные емкости: СЗИ, СЗС - единицы пф, ССИ -доли пф. Очень велико входное сопротивление напряжения по постоянному току - 1012...1015 Ом и не зависит от полярности напряжения на затворе, в отличие от p-n-перехода.

У МДП-транзистора сток и исток взаимозаменяемы.

 

4.3. Применение МДП-транзисторов

+Uп

Rc

 


R1 C2


VT1                             Rн

 

Uвх C1

 


R2

 

 

 

 

Усилитель напряжения на транзисторе с индуцированным каналом.

 

Делитель R1,R2 задает начальное напряжение на затворе UЗ.И.О., которое обеспечивает точку покоя.  При наличии сопротивления в цепи стока напряжение сток-исток:

UСИ=UП – IсRс – это уравнение линии нагрузки.

 


Ic Ic

 

 


Icm Rc||RН

 

Rc


IСО 0                                       UЗИ

 

 


 

UЗИО UЗИ UСИО UСИ

0      UЗ.ПОР 0

UЗИ.m UСИ.m UП

 

 

 

Приращение тока Ic вызывает приращение напряжения на стоке:

DUСИ= – DIc(Rc||Rн)

А величина DIc согласно уравнению четырехполюсника

DIc=SDUЗИ+GСИDUСИ

Совместное решение дает

DUСИ= – S(Rc||RН) DUЗИ / (1+RCGСИ)

Таким образом, коэффициент усиления

КU=DUСИ/DUЗИ= – S(RC||RН)/(1+(RC||RН)GСИ)

Если GСИ мала,      Ku»S(RC||RН)

 

Полевой транзистор как управляемое сопротивление

При небольшом напряжении сток-исток UСИ < 0.5UСИ.НАС канал ведет себя как линейное сопротивление, величина которого зависит от UЗИ. Это позволяет использовать канал полевого транзистора как электрически управляемое сопротивление в различных автоматических регуляторах.

 

IС

UЗИ = 4В

0                          UСИ

 

 

 

 

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить