Реферат: 4. Полевые транзисторы

4.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 :


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

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


Тонкий слой полупроводника , который служит каналом (доли мм) , 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.



Транзисторы с управляющим p-n-переходом.







и з с

n+ P+ n+ w

n


p+-подложка

l




Рассмотрим устройство транзистора с n-каналом. Тонкий слой слаболегированного n-полупроводника наносится на сильнолегированную подложку p-типа.





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

- -

+ Uси +Uси

- +

+ Uзи -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.

При Uси =0 во всех точках 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.отс- Uзи|

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


Ic,мА

Ic.нач. 8


6


4


2


Uзи.отс

Uзи , В

-5 -4 -3 -2 -1 0


Передаточная характеристика описывается параболой :

Ic= Ic.нач. ( 1 - - Uзи / Uзи.отс )2


^ 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 :

уменьшается крутизна ,

появляются емкостные составляющие входного и выходного тока ,

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 = C3с - проходная емкость ,

C3к - распределенная емкость между затвором и активной частью канала ,

rк - поперечное сопротивление этого слоя.

Цепочка C3к rк снижает крутизну , т.е. эффективность управления на высоких частотах сигнала :

,

где предельная частота крутизны транзистора. На этой частоте S уменьшается в раза 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.

Применение полевого транзистора для усиления колебаний переменного тока.


+Uп


Rc

C2 Uвых




С1

Uвх


Rз Uси


Uзи.о


При наличии в цепи тока резистора Rc напряжение на транзисторе в состоянии покоя :

Uси.0=Uп-Ic.0Rc ,

где Ic.0 - ток покоя ,

Uси.0 - напряжение покоя.

Координаты точки покоя устанавливаются выбором напряжения на затворе Uзи.о.



Амплитуда тока стока : Ic.m =Suзи.m

Амплитуда напряжения на выходе : uси.m=Rc Ic.m=S Rcuзи.m

Коэффициент усиления по напряжению : Кu»-SRc



^ 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.


И З С







p+ p+


n-подложка




П


UЗИ Обозначение




С

p+ p+




n З П




П И


Если на затвор подать достаточно большой

отрицательный потенциал, он “вытягивает” С

из p-областей стока и истока и даже из

подложки. При некотором значении UЗ.И.пор З П

концентрации дырок в промежутке сток-

исток становится преобладающей ,- И

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 , при этом измеряется напряжение канала UСИ.

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:





Iс

UСИ

-

+

- UЗИ




+










Iс

UСИ

+

-

+ UЗИ




-







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 обеденный участок канала.




UСИ

UЗИ






p+ p+




n




П

Передаточные характеристики.


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





Iс Ic





U’’СИ U’СИ U’СИ U’’СИ


n-канал p-канал


0 UЗИ.ПОР UЗИ UЗИ.ПОР 0 UЗИ


^ Выходные характеристики Ic=j(UСИ) при UЗИ=const имеют крутые участки при UСИСИ.НАС и пологие участки в режиме насыщения.

Напряжение насыщения соответствует нулевой толщине канала возле стока, т.е. UЗИ-UСИ.НАС= UЗИ.ПОР , откуда UСИ.НАС= UЗИ-UЗИ.ПОР.


Ic


UЗИ=10В




8В




6В




4В


UСИ.НАС |UСИ|




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: одной полярности увеличивается (режим обогащения), при другой - уменьшается (режим обеднения), вплоть до исчезновения канала, т.е. отсечки.

Обозначение транзисторов со встроенным каналом:





канал n-типа С С канал p-типа

П П

З З


И И


Передаточные характеристики.





Ic Ic




канал n-типа канал p-типа


режим

обогащения


режим

обеднения

Ic.НАЧ Iс.НАЧ


UЗИ.ОТС 0 UЗИ 0 UЗИ.ОТС UЗИ


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


Ic


+4В




+2В




Ic.нач UЗИ=0


-2В


UСИ


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 отличии от p-n-перехода.

У МДП-транзистора сток и исток взаимозаменяемы.

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.О





UЗИО

UЗИ UСИ

0 UЗ.И.ПОР 0 UСИО UП




UЗИ.m UСИ.m


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.


Ic

UЗИ=4В

3В

2В

0 UСИ


Обозначение полевых транзисторов

КП103В

2П302А