Полевой моп транзистор. Обозначение полевого транзистора

МДП-транзисторы с индуцированным каналом

Принцип действия . При напряжении на затворе относительно истока равном нулю и при наличии напряжения на стоке ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток р-n -перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 4.12) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе у поверхности полупроводника под затвором возникает обедненный основными носителями слой и область объемного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов.

При напряжениях на затворе, больших U зи пор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, т. е. ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания (схема включения полевого транзистора с изолированным затвором аналогична схеме включения полевого транзистора с управляющим р-n -переходом, но полярности внешних источников питания различны для транзисторов с р - и n -каналом). Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.

В связи с тем, что затвор отделен от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.

Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти все напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряженности электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда – дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем, и их энергия увеличивается за счет энергии источника питания в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нем подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, т. е. мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.

Выходные статические характеристики . Характер зависимостей I с = =(U си) при U зи = const для МДП-транзистора с индуцированным каналом аналогичен характеру таких же зависимостей для полевого транзистора с управляющим р-n -переходом. Сублинейность крутых частей характеристик (рис. 4.13, а ) объясняется уменьшением толщины канала около стока при

увеличении напряжения на стоке и неизменном напряжении на затворе, так как на сток и на затвор подаются потенциалы одного знака относительно истока. Следовательно, разность потенциалов между стоком и затвором или между затвором и прилегающей к стоку частью канала уменьшается. Другими словами, из-за прохождения по каналу тока стока получается неэквипотенциальность канала по его длине. Поэтому при увеличении тока стока происходит уменьшение поперечного сечения канала около стока. При напряжении насыщения U си нас происходит перекрытие канала около стока, и дальнейшее увеличение напряжения на стоке вызывает очень малое увеличение тока стока.

Сублинейный характер зависимостей I c = f (U си) вызван также эффектом насыщения дрейфовой скорости носителей заряда или уменьшением их подвижности в сильных полях, как и в полевых транзисторах с управляющим р-n - переходом.

При увеличении напряжения на затворе (по абсолютному значению) выходные статические характеристики смещаются в область больших токов стока (рис. 4.13, а), что легко понять на основе принципа действия МДП-транзистора с индуцированным каналом.

При больших напряжениях на стоке может произойти пробой МДП-транзистора, при этом может быть два вида пробоя – пробой р-n -перехода под стоком и пробой диэлектрика под затвором.

Пробой p-n -перехода обычно имеет лавинный характер, так как МДП-транзисторы изготовляют обычно на кремнии. При этом на пробивное напряжение U си проб может влиять напряжение на затворе: так как на сток и на затвор МДП-транзистора с индуцированным каналом подаются потенциалы одной полярности, то с увеличением напряжения на затворе будет увеличиваться U си.проб. Пробой диэлектрика под затвором может происходить при напряжении на затворе всего в несколько десятков вольт, так как толщина слоя двуокиси кремния – около 0,1 мкм. Пробой обычно имеет тепловой характер, происходит при шнуровании тока, и поэтому даже при небольших энергиях импульсов напряжения могут произойти необратимые изменения в диэлектрике. Этот вид пробоя может возникать в результате накопления статических зарядов, так как входное сопротивление МДП-транзисторов велико. Для исключения возможности такого вида пробоя вход МДП-транзистора часто защищают стабилитроном, ограничивающим напряжение на затворе.

Статические характеристики передачи . Характер зависимостей I с = =f (U зи) при U си = const ясен из принципа действия МДП-транзистора с индуцированным каналом. Характеристики для разных напряжений на стоке выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей пороговому напряжению U зи . пор (рис. 4.13, б). С увеличением напряжения на стоке при неизменном напряжении на затворе ток стока возрастает даже в пологой части статических выходных характеристик (рис. 4.13, а), что приводит к смещению характеристик передачи вверх в выбранной системе координат.

4.3. Дифференциальные параметры и их определение по статическим характеристикам

Параметры транзисторов можно определить по статическим характеристикам, как показано на рис. 4.14. Для рабочей точки A (U с / , I c / , U зи /) крутизна и дифференциальное сопротивление определяются следующими выражениями:

(4.10) (4.11)

Статический коэффициент усиления по напряжению:

Определяется при постоянстве тока стока.

Графически его не всегда можно найти.

Поэтому он рассчитывается по уравнению µ = SR i .

4.4. Основные параметры полевых транзисторов

и их ориентировочные значения

К основным параметрам полевых транзисторов относят:

1). Крутизну характеристики

(4.12)

2). Крутизну характеристики по подложке

(4.13)

3). Статический коэффициент усиления по напряжению µ – от нескольких единиц до сотен;

5). Пороговое напряжение U зи пор (U зи пор = 1…6 В).

6). Сопротивление сток-исток в открытом состоянии R отк (R отк = 2 …300 ОМ), дифференциальное сопротивление R i = dU/dI U СИ = const в пределах 5...100 кОМ.;

6). Постоянный ток стока I cмакс (десятки миллиампер – десятки ампер).

7). Остаточный ток стока I c ост – ток стока при напряжении U зи отс (I c ост = = 0,001…10мА);

8). Максимальную частоту усиления f p – частоту, на которой коэффициент усиления по мощности К р равен единице (f p – десятки, сотни мегагерц – до нескольких десятков гигагерц).

9). Начальный ток стока I с нач – ток стока при нулевом напряжении U зи; у транзисторов с управляющим р-n- переходом I с нач = 0,2 … 600 мА; с технологически встроенным каналом I с нач = 0,1… 100 мА; с индуцированным каналом I с нач = 0,01… 0,5 мкА.

Обозначения полевых транзисторов аналогичны обозначениям биполярных транзисторов, только вместо буквы Т ставится буква П, например, КП1ОЗА, 2П303В и т. д.

Широкое распространение получают полевые транзисторы с барьером Шотки. Перспективными транзисторами являются полевые транзисторы на арсениде галлия, работающие на частотах до десятков – сотен гигагерц, которые можно использовать в малошумящих усилителях СВЧ, усилителях мощности и генераторах.

Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, обычно с тремя выводами, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля. (electrono.ru)

Еще один факт о полевых транзисторах можно узнать, обратив внимание на их другое название - униполярные . Это значит, что в процессе протекания тока у них участвует только один вид носителей заряда (или электроны, или дырки).

Три контакта полевых транзисторов называются исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители). Структура кажется простой и очень похожей на устройство биполярного транзистора. Но реализовать ее можно как минимум двумя способами. Поэтому различают полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором .

Вообще, идея последних появилась еще в 20-х годах XX века, задолго до изобретения биполярных транзисторов. Но уровень технологии позволили реализовать ее лишь в 1960 году. В 50-х же был сначала теоретически описан, а затем получил воплощение полевой транзистор с управляющим p-n переходом. И, как и их биполярные «собратья», полевые транзисторы до сих пор играют в электронике огромную роль.

Перед тем, как перейти к рассказу о физике работы униполярных транзисторов, хочу напомнить ссылки, по которым можно освежить свои знания о p-n переходе: раз и два .

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

Можно провести следующую аналогию: p-n переход - это плотина, перекрывающая поток носителей заряда от истока к стоку. Увеличивая или уменьшая на нем обратное напряжение, мы открываем/закрываем на ней шлюзы, регулируя «подачу воды» (выходной ток).

Итак, в рабочем режиме полевого транзистора с управляющим p-n переходом напряжение на затворе должно быть либо нулевым (канал открыт полностью), либо обратным.
Если величина обратного напряжения станет настолько большой, что запирающий слой закроет канал, то транзистор перейдет в режим отсечки .

Даже при нулевом напряжении на затворе, между затвором и стоком существует обратное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к области стока.

Само собой разумеется, что можно сделать транзистор с каналом n-типа и затвором p-типа. Сущность его работы при этом не изменится.

Условные графические изображения полевых транзисторов приведены на рисунке (а - с каналом p-типа, б - с каналом n-типа). Стрелка здесь указывает направление от p-слоя к n-слою.

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

На графике можно четко выделить три зоны. Первая из них - зона резкого возрастания тока стока. Это так называемая «омическая» область . Канал «исток-сток» ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется напряжением на затворе транзистора.

Вторая зона - область насыщения . Она имеет почти линейный вид. Здесь происходит перекрытие канала в области стока, которое увеличивается при дальнейшем росте напряжения исток-сток. Соответственно, растет и сопротивление канала, а стоковый ток меняется очень слабо (закон Ома, однако). Именно этот участок характеристики используют в усилительной технике, поскольку здесь наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. К таким параметрам относятся крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления. Значения всех этих непонятных словосочетаний будут раскрыты ниже.

Третья зона графика - область пробоя , чье название говорит само за себя.

С правой стороны рисунка показан график еще одной важной зависимости - стоко-затворной характеристики . Она показывает то, как зависит ток стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении между истоком и стоком. И именно ее крутизна является одним из основных параметров полевого транзистора.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток. Почему не через кристалл? Потому что один из p-n переходов будет закрыт.

А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения .
Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения . При этом сопротивление канала будет падать, а ток через него расти.

Рассмотренная выше конструкция транзистора с изолированным затвором похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом тем, что даже при нулевом токе на затворе при ненулевом напряжении исток-сток между ними существует так называемый начальный ток стока . В обоих случаях это происходит из-за того, что канал для этого тока встроен в конструкцию транзистора. Т.е., строго говоря, только что мы рассматривали такой подтип МДП-транзисторов, как транзисторы с встроенным каналом .

Однако, есть еще одна разновидность полевых транзисторов с изолированным затвором - транзистор с индуцированным (инверсным) каналом . Из названия уже понятно его отличие от предыдущего - у него канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.

Итак, мы подаем напряжение только на исток и сток. Ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт.
Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора. И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая инверсия типа проводимости. Т.е. концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа. Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе.
Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения.

Условные обозначения транзисторов с изолированным затвором следующие:


Здесь
а − со встроенным каналом n- типа;
б − со встроенным каналом р- типа;
в − с выводом от подложки;
г − с индуцированным каналом n- типа;
д − с индуцированным каналом р- типа;
е − с выводом от подложки.

Статические характеристики МДП-транзисторов

Экзотические МДП-структуры

Общие параметры полевых транзисторов

1. Максимальный ток стока при фиксированном напряжении затвор-исток.
2. Максимальное напряжение сток-исток , после которого уже наступает пробой.
3. Внутреннее (выходное) сопротивление . Оно представляет собой сопротивление канала для переменного тока (напряжение затвор-исток - константа).
4. Крутизна стоко-затворной характеристики . Чем она больше, тем «острее» реакция транзистора на изменение напряжения на затворе.
5. Входное сопротивление . Оно определяется сопротивлением обратно смещенного p-n перехода и обычно достигает единиц и десятков МОм (что выгодно отличает полевые транзисторы от биполярных «родственников»). А среди самих полевых транзисторов пальма первенства принадлежит устройствам с изолированным затвором.
6. Коэффициент усиления - отношение изменения напряжения исток-сток к изменению напряжения затвор-исток при постоянном токе стока.

Схемы включения

Отличия полевых транзисторов от биполярных. Области применения

• высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление;
• высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей);
• поскольку усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены переносом основных носителей заряда, их верхняя граница эффективного усиления выше, чем у биполярных;
• высокая температурная стабильность;
• малый уровень шумов, так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда, которое и делает биполярные транзисторы «шумными»;
• малое потребление мощности.

Где применяются полевые транзисторы? Да практически везде. Цифровые и аналоговые интегральные схемы, следящие и логические устройства, энергосберегающие схемы, флеш-память… Да что там, даже кварцевые часы и пульт управления телевизором работают на полевых транзисторах. Они повсюду, %хабраюзер %. Но теперь ты знаешь, как они работают!

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор – это полупроводниковый преобразовательный прибор, в котором ток, текущий через канал, управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком. Предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

Полевые транзисторы применяются в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением, ключевых и логических устройствах, при изготовлении микросхем.

Принцип действия полевых транзистор ов снован на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током, осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. Поэтому эти транзисторы называют полевыми.

По способу создания канала различают полевые транзисторы с затвором в виде управляющего р- n - перехода и с изолированным затвором (МДП - или МОП - транзисторы): встроенным каналом и индуцированным каналом.

В зависимости от проводимости канала полевые транзисторы делятся на полевые транзисторы с каналом р- типа и полевые транзисторы с каналом n - типа. Канал р- типа обладает дырочной проводимостью, а n - типа – электронной.

Полевой транзистор с управляющим р- n - переходом – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала р- n -переходом, смещенным в обратном направлении.

Устройство полевого транзистора с управляющим р- n -переходом (каналом n - типа)

Условное обозначение полевого транзистора с р- n -переходом и каналом n - типа (а), каналом р- типа (б)

Каналом полевого транзистора называют область в полупроводнике, в которой ток основных носителей заряда регулируется изменением ее поперечного сечения. Электрод, через который в канал входят носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда - сток. Электрод, для регулирования поперечного сечения канала за счет управляющего напряжения - затвор.

Управляющее (входное) напряжение подается между затвором и истоком. Напряжение U зи является обратным для обоих р- n - переходов. Ширина р- n - переходов, а, следовательно, эффективная площадь поперечного сечения канала, его сопротивление и ток в канале зависят от этого напряжения. С его ростом расширяются р- n - переходы, уменьшается площадь сечения токопроводящего канала, увеличивается его сопротивление, а, следовательно, уменьшается ток в канале. Следовательно, если между истоком и стоком включить источник напряжения U си, то силой тока стока I с , протекающего через канал, можно управлять путем изменения сопротивления (сечения) канала с помощью напряжения, подаваемого на затвор. На этом принципе и основана работа полевого транзистора с управляющим р- n - переходом.

При напряжении U зи = 0 сечение канала наибольшее, его сопротивление наименьшее и ток I с получается наибольшим. Ток стока I с нач при U зи = 0 называют начальным током стока. Напряжение U зи , при котором канал полностью перекрывается, а ток стока I с становится весьма малым (десятые доли микроампер), называют напряжением отсечки U зи отс .

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим р- n - переходом

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с р- n - переходом и каналом n - типа, отражают зависимость тока стока от напряжения U си при фиксированном напряжении U зи : I c = f (U си ) при U зи = const .

Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с р-п- переходом и каналом п- типа: а – стоковые; б – стокозатворная

Особенностью полевого транзистора является то, что на проводимость канала оказывает влияние и управляющее напряжение U зи , и напряжение U си . При U си = 0 выходной ток I с = 0. При U си > 0 (U зи = 0) через канал протекает ток I c , в результате создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока. Суммарное падение напряжения участка исток-сток равно U си . Повышение напряжения U си вызывает увеличение падения напряжения в канале и уменьшение его сечения, а следовательно, уменьшение проводимости канала. При некотором напряжении U си происходит сужение канала, при котором границы обоих р- n - переходов сужаются и сопротивление канала становится высоким. Такое напряжение U си называют напряжением насыщения U си нас . При подаче на затвор обратного напряжения U зи происходит дополнительное сужение канала, и его перекрытие наступает при меньшем значении напряжения U си нас . В рабочем режиме используются пологие участки выходных характеристик.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

У полевого транзистора с изолированным затвором (МДП - транзистор), затвор отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. МДП - транзисторы в качестве диэлектрика используют оксид кремния SiO 2. Другое название таких транзисторов – МОП - транзисторы (металл-окисел-полупроводник).

Принцип действия МДП - транзисторов основан на изменении проводимости поверхностного слоя полупроводника под воздействием поперечного электрического поля. Поверхностный слой, является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП - транзисторы выполняют двух типов – со встроенным каналом и с индуцированным каналом.

Конструкция МДП - транзистора со встроенным каналом n -типа. В исходной пластинке кремния р- типа с относительно высоким удельным сопротивлением, с помощью диффузионной технологии созданы две легированные области с противоположным типом электропроводности – n . На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Между истоком и стоком имеется поверхностный канал с электропроводностью n - типа. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем диэлектрика. На этот слой нанесен металлический электрод – затвор. Наличие слоя диэлектрика позволяет подавать на затвор управляющее напряжение обеих полярностей.

При подаче на затвор положительного напряжения, создающимся электрическим полем дырки из канала будут выталкиваться в подложку, а электроны - из подложки в канал. Канал обогащается – электронами, и его проводимость увеличивается при возрастании ток стока. Это называется режим обогащения.

При подаче на затвор отрицательного напряжения, относительно истока, в канале создается электрическое поле, под влиянием которого электроны выталкиваются из канала в подложку, а дырки втягиваются из подложки в канал. Канал обедняется основными носителями заряда, проводимость уменьшается, а ток стока уменьшается. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.

В таких транзисторах при U зи = 0, если приложить напряжение между стоком и истоком (U си > 0), протекает ток стока I с нач , называемый начальным и, представляющий собой поток электронов.

Канал проводимости тока не создается, а образуется благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины, при приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока. При отсутствии этого напряжения канала нету, и между истоком и стоком n -типа расположен только кристалл р- типа, а на одном из р- n - переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между истоком и стоком велико, и транзистор заперт. Но при подаче на затвор положительное напряжение, под влиянием поля затвора электроны будут перемещаться из областей истока и стока и из р- области к затвору. Когда напряжение затвора превысит пороговое значение U зи пор , в поверхностном слое концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и произойдет инверсия типа электропроводности, индуцируется токопроводящий канал n -типа, соединяющий области истока и стока. Транзистор начинает проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока. Транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения.

Условное обозначение МДП - транзисторов:

а − со встроенным каналом n - типа;

б − со встроенным каналом р- типа;

в − с выводом от подложки;

г − с индуцированным каналом n - типа;

д − с индуцированным каналом р- типа;

е − с выводом от подложки.

Статические характеристики полевых МДП - транзисторов.

При U зи = 0 через прибор протекает ток, определяемый исходной проводимостью канала. В случае приложения к затвору напряжения U зи < 0 поле затвора оказывает отталкивающее действие на электроны – носители заряда в канале, что приводит к уменьшению их концентрации в канале и проводимости канала. Вследствие этого стоковые характеристики при U зи < 0 располагаются ниже кривой, соответствующей U зи = 0.

При подаче на затвор напряжения U зи > 0 поле затвора притягивает электроны в канал из полупроводниковой пластины р- типа. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, проводимость канала возрастает, ток стока I с увеличивается. Стоковые характеристики при U зи > 0 располагаются выше исходной кривой при U зи = 0.

Отличие стоковых характеристик заключается в том, что управление током транзистора осуществляется напряжением одной полярности, совпадающей с полярностью напряжения U си . Ток I c = 0 при U си = 0, в то время как в транзисторе со встроенным каналом для этого необходимо изменить полярность напряжения на затворе относительно истока.

Параметры МДП - транзисторов аналогичны параметрам полевых транзисторов с р- n - переходом. По входному сопротивлению МДП - транзисторы имеют лучшие показатели, чем транзисторы с р- n - переходом.

схемы включения

Полевой транзистор можно включать с общим истоком-а (ОИ), общим стоком-в (ОС) и общим затвором-б (ОЗ).

Чаще всего применяется схема с ОИ. Каскад с общим истоком дает очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не дает усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем имеет ограниченное применение.

усилительный каскад на полевых транзисторах

Схема усилителя, выполненного по схеме с ОИ .

Транзистор в режиме покоя обеспечивается постоянным током стока I сп и соответствующим ему напряжением сток-исток U сип . Этот режим обеспечивается напряжением смещения на затворе полевого транзистора U зип . Это напряжение возникает на резисторе R и при прохождении тока I сп (U R и = I сп R и ) и прикладывается к затвору благодаря гальванической связи через резистор R 3 . Резистор R и , кроме обеспечения напряжения смещения затвора, используется также для температурной стабилизации режима работы усилителя по постоянному току, стабилизируя I сп . Чтобы на резисторе R и не выделялась переменная составляющая напряжения, его шунтируют конденсатором С и. Этим и обеспечивают постоянство коэффициента усиления каскада.

ТЕМА 5. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор – это электропреобразовательный прибор, в котором ток, протекающий через канал, управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

К классу полевых относят транзисторы, принцип действия которых основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. Вследствие этого транзисторы называют полевыми.

По способу создания канала различают полевые транзисторы с затвором в виде управляющего р-n- перехода и с изолированным затвором (МДП - или МОП - транзисторы): встроенным каналом и индуцированным каналом.

В зависимости от проводимости канала полевые транзисторы делятся на: полевые транзисторы с каналом р- типа и n- типа. Канал р- типа обладает дырочной проводимостью, а n- типа – электронной.

5.1 Полевые транзисторы с управляющим р- n- переходом

5.1.1 Устройство и принцип действия

Полевой транзистор с управляющим р-n- переходом – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала р-n-переходом, смещенным в обратном направлении.

Рисунок 5.1 – Устройство полевого транзистора с управляющим р-n-переходом (каналом n- типа)

Рисунок 5.2 – Условное обозначение полевого транзистора с р-n-переходом и каналом n- типа (а), каналом р- типа (б)

Каналом полевого транзистора называют область в полупроводнике, в которой ток основных носителей заряда регулируется изменением ее поперечного сечения.

Электрод (вывод), через который в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала за счет управляющего напряжения, называют затвором.

Как правило, выпускаются кремниевые полевые транзисторы. Кремний применяется потому, что ток затвора, т.е. обратный ток р-n- перехода, получается во много раз меньше, чем у германия.

Условные обозначения полевых транзисторов с каналом n- и р- типов приведены на рис. 5.2.

Полярность внешних напряжений, подводимых к транзистору, показана на рис. 5.1. Управляющее (входное) напряжение подается между затвором и истоком. Напряжение Uзи является обратным для обоих р-n- переходов. Ширина р-n- переходов, а, следовательно, эффективная площадь поперечного сечения канала, его сопротивление и ток в канале зависят от этого напряжения. С его ростом расширяются р-n- переходы, уменьшается площадь сечения токопроводящего канала, увеличивается его сопротивление, а, следовательно, уменьшается ток в канале. Следовательно, если между истоком и стоком включить источник напряжения Uси, то силой тока стока Iс, протекающего через канал, можно управлять путем изменения сопротивления (сечения) канала с помощью напряжения, подаваемого на затвор. На этом принципе и основана работа полевого транзистора с управляющим р-n- переходом.

При напряжении Uзи = 0 сечение канала наибольшее, его сопротивление наименьшее и ток Iс получается наибольшим.

Ток стока Iс нач при Uзи = 0 называют начальным током стока.

Напряжение Uзи, при котором канал полностью перекрывается, а ток стока Iс становится весьма малым (десятые доли микроампер), называют напряжением отсечки Uзиотс.

5.1.2 Статические характеристики полевого транзистора с управляющим р- n- переходом

Рассмотрим вольт - амперные характеристики полевых транзисторов с р-n- переходом. Для этих транзисторов представляют интерес два вида вольт - амперных характеристик: стоковые и стоко - затворные.

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с р-n- переходом и каналом n- типа показаны на рис. 5.3, а. Они отражают зависимость тока стока от напряжения Uси при фиксированном напряжении Uзи: Ic= f(Uси) при Uзи = const.

Рисунок 5.3 – Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с р-п- переходом и каналом п- типа: а – стоковые (выходные); б – стоко - затворная

Особенностью полевого транзистора является то, что на проводимость канала оказывает влияние как управляющее напряжение Uзи, так и напряжение Uси. При Uси = 0 выходной ток Iс = 0. При Uси > 0 (Uзи = 0) через канал протекает ток Ic, в результате чего создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока. Суммарное падение напряжения участка исток-сток равно Uси. Повышение напряжения Uси вызывает увеличение падения напряжения в канале и уменьшение его сечения, а следовательно, уменьшение проводимости канала. При некотором напряжении Uси происходит сужение канала, при котором границы обоих р-n- переходов смыкаются и сопротивление канала становится высоким. Такое напряжение Uси называют напряжением перекрытия или напряжением насыщения Uсинас. При подаче на затвор обратного напряжения Uзи происходит дополнительное сужение канала, и его перекрытие наступает при меньшем значении напряжения Uсинас. В рабочем режиме используются пологие (линейные) участки выходных характеристик.

Стоко - затворная характеристика полевого транзистора показывает зависимость тока Iс от напряжения Uзи при фиксированном напряжении Uси: Ic= f(Uси) при Uси = const (рис. 5.3, б).

5.1.3 Основные параметры

· максимальный ток стока Iсmax (при Uзи = 0);

· максимальное напряжение сток-исток Uсиmax;

· напряжение отсечки Uзиотс;

· внутреннее (выходное) сопротивление ri − представляет собой сопротивление транзистора между стоком и истоком (сопротивление канала) для переменного тока:

· крутизна стоко-затворной характеристики:

отображает влияние напряжение затвора на выходной ток транзистора;

· входное сопротивление

5.2 Полевые транзисторы с изолированным затвором

5.2.1 Устройство и принцип действия

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП - транзистор) – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

МДП - транзисторы (структура: металл-диэлектрик-полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO2. отсюда другое название этих транзисторов – МОП - транзисторы (структура: металл-окисел-полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (1012 … 1014Ом).

Принцип действия МДП - транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП - транзисторы выполняют двух типов – со встроенным и с индуцированным каналом.

Рассмотрим особенности МДП - транзисторов со встроенным каналом. Конструкция такого транзистора с каналом n-типа показана на рис. 5.4, а. В исходной пластинке кремния р- типа с относительно высоким удельным сопротивлением, которую называют подложкой, с помощью диффузионной технологии созданы две сильнолегированные области с противоположным типом электропроводности – n. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Между истоком и стоком имеется тонкий приповерхностный канал с электропроводностью n- типа. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод – затвор. Наличие слоя диэлектрика позволяет в таком полевом транзисторе подавать на затвор управляющее напряжение обеих полярностей.

Рисунок 5.4 – Конструкция МДП - транзистора со встроенным каналом n- типа (а); семейство его стоковых характеристик (б); стоко-затворная характеристика (в)

При подаче на затвор положительного напряжения, электрическим полем, которое при этом создается, дырки из канала будут выталкиваться в подложку, а электроны вытягиваться из подложки в канал. Канал обогащается основными носителями заряда – электронами, его проводимость увеличивается и ток стока возрастает. Этот режим называют режимом обогащения.

При подаче на затвор напряжения, отрицательного относительно истока, в канале создается электрическое поле, под влиянием которого электроны выталкиваются из канала в подложку, а дырки втягиваются из подложки в канал. Канал обедняется основными носителями заряда, его проводимость уменьшается и ток стока уменьшается. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.

В таких транзисторах при Uзи = 0, если приложить напряжение между стоком и истоком (Uси > 0), протекает ток стока Iснач, называемый начальным и, представляющий собой поток электронов.

Конструкция МДП - транзистора с индуцированным каналом n- типа показана на рис. 5.5, а

Полевой транзистор

Полевой транзистор (англ . field-effect transistor, FET) - 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 часто включают в более широкий класс униполярных электронных приборов (в отличие от биполярных).

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды - исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика . Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний , то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO 2 , выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод - затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 10 10 …10 14 Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 10 7 …10 9), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 2, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (U ЗИпор ).

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 2, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой - канал, который соединяет исток со стоком.

Изображённые на рис. 2 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом

При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке, - ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 2, а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших U ЗИпор ) у поверхности полупроводника под затвором возникает обеднённый основными носителями слой эффект поля и область объёмного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших U ЗИпор , у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.

В связи с тем, что затвор отделён от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.

Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти всё напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряжённости электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда - дырки . Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем и их энергия увеличивается за счёт энергии источника питания, в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нём подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.

МДП-транзисторы со встроенным каналом

Рис. 3. Выходные статические характеристики (a) и статические характеристики передачи (b) МДП-транзистора со встроенным каналом.

В связи с наличием встроенного канала в таком МДП-транзисторе при нулевом напряжении на затворе (см. рис. 2, б) поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительной полярности. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом отражается и на смещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности (рис. 3).

Статические характеристики передачи (рис. 3, b) выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки U ЗИотс , то есть напряжению между затвором и истоком МДП-транзистора со встроенным каналом, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.

Формулы расчёта в зависимости от напряжения U ЗИ

1. Транзистор закрыт

Пороговое значение напряжения МДП транзистора

2. Параболический участок.

Удельная крутизна передаточной характеристики транзистора.

3. Дальнейшее увеличение приводит к переходу на пологий уровень.

МДП-структуры специального назначения

В структурах типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором выполняется двухслойным: слой оксида SiO 2 и толстый слой нитрида Si 3 N 4 . Между слоями образуются ловушки электронов, которые при подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28..30 В) захватывают туннелирующие через тонкий слой SiO 2 электроны. Образующиеся отрицательно заряженные ионы повышают пороговое напряжение, причём их заряд может храниться до нескольких лет при отсутствии питания, так как слой SiO 2 предотвращает утечку заряда. При подаче на затвор большого отрицательного напряжения (28…30 В), накопленный заряд рассасывается, что существенно уменьшает пороговое напряжение.

Структуры типа металл-оксид-полупроводник (МОП) с плавающим затвором и лавинной инжекцией (ЛИЗМОП) имеют затвор, выполненный из поликристаллического кремния, изолированный от других частей структуры. Лавинный пробой p-n-перехода подложки и стока или истока, на которые подаётся высокое напряжение, позволяет электронам проникнуть через слой окисла на затвор, вследствие чего на нём появляется отрицательный заряд. Изолирующие свойства диэлектрика позволяют сохранять этот заряд десятки лет. Удаление электрического заряда с затвора осуществляется с помощью ионизирующего ультрафиолетового облучения кварцевыми лампами, при этом фототок позволяет электронам рекомбинировать с дырками.

В дальнейшем были разработаны структуры запоминающих полевых транзисторов с двойным затвором. Встроенный в диэлектрик затвор используется для хранения заряда, определяющего состояние прибора, а внешний (обычный) затвор, управляемый разнополярными импульсами для ввода или удаления заряда на встроенном (внутреннем) затворе. Так появились ячейки, а затем и микросхемы флэш-памяти, получившие в наши дни большую популярность и составившие заметную конкуренцию жестким дискам в компьютерах.

Для реализации сверхбольших интегральных схем (СБИС) были созданы сверхминиатюрные полевые микротранзисторы. Они делаются с применением нанотехнологий с геометрическим разрешением менее 100 нм. У таких приборов толщина подзатворного диэлектрика доходит до нескольких атомных слоев. Используются различные, в том числе трехзатворные структуры. Приборы работают в микромощном режиме. В современных микропроцессорах корпорации Intel число приборов составляет от десятков миллионов до 2 миллиардов. Новейшие полевые микротранзисторы выполняются на напряженном кремнии, имеют металлический затвор и используют новый запатентованный материал для подзатворного диэлектрика на основе соединений гафния.

В последние четверть века бурное развитие получили мощные полевые транзисторы, в основном МДП-типа. Они состоят из множества маломощных структур или из структур с разветвлённой конфигурацией затвора. Такие ВЧ и СВЧ приборы впервые были созданы в СССР специалистами НИИ «Пульсар» Бачуриным В. В. (кремниевые приборы) и Ваксембургом В. Я. (арсенид-галлиевые приборы) Исследование их импульсных свойств было выполнено научной школой проф. Дьяконова В. П. (Смоленский филиал МЭИ). Это открыло область разработки мощных ключевых (импульсных) полевых транзисторов со специальными структурами, имеющих высокие рабочие напряжения и токи (раздельно до 500-1000 В и 50-100 А). Такие приборы нередко управляются малыми (до 5 В) напряжениями, имеют малое сопротивление в открытом состоянии (до 0,01 Ом) у сильноточных приборов, высокую крутизну и малые (в единицы-десятки нс) времена переключения. У них отсутствует явление накопления носителей в структуре и явление насыщения, присущее биполярным транзисторам. Благодаря этому мощные полевые транзисторы успешно вытесняют мощные биполярные транзисторы в области силовой электроники малой и средней мощности.

За рубежом в последние десятилетия стремительно развивается технология транзисторов на высокоподвижных электронах (ТВПЭ) , которые широко используются в СВЧ устройствах связи и радионаблюдения. На основе ТВПЭ создаются как гибридные, так и монолитные микроволновые интегральные схемы (англ. )). В основе действия ТВПЭ лежит управление каналом с помощью двумерного электронного газа , область которого создаётся под контактом затвора благодаря применению гетероперехода и очень тонкого диэлектрического слоя - спейсера .

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 (p- и n-) 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 надёжность 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 (IGBT) успешно вытесняющие тиристоры . В усилителях мощности звуковых частот высшего класса HiFi и HiEnd мощные полевые транзисторы успешно заменяют мощные электронные лампы, так как обладают малыми нелинейными и динамическими искажениями.

См. также

Ссылки

Примечания