Лекция 4 ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Лекция 4 Полевой

Лекция 4 ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Лекция 4 Полевой транзистор называется так потому, что в нём с помощью электрического поля меняется ширина токопроводящего слоя полупроводника, т. е. изменяется его сопротивление, а, тем самым, приложенном напряжении ток через полупроводник. Токопроводящий слой полупроводника называется каналом. Отсюда и другое название полевых транзисторов – канальные транзисторы. Ширина канала определяется конструкцией полевого транзистора и будет зависеть от ширины p-n перехода. В свою очередь ширина p-n перехода будет зависеть от приложенного к нему напряжения. Если между каналом – слоем n и затвором – слоем p ввести источник напряжения, то можно управлять шириной канала или его сопротивлением. Канал в приповерхностном слое полупроводника можно выполнить, используя структуру металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзистор). В кремниевых МДП-транзисторах в качестве диэлектрика часто используют окисел кремния Si. O 2, поэтому МДП-транзисторы иногда называют МОПтранзисторами (металл-окисел-полупроводник). Управление шириной канала в МДП-транзисторах также производится с помощью электрического поля.

Лекция 4 Полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, в котором управление током, протекающим между двумя электродами, осуществляется с помощью напряжения, приложенного к третьему электроду. Их работа основана только на перемещении основных носителей заряда посредством воздействия статического поля (в отличие от биполярных транзисторов). Управляющим электродом является затвор, управляемыми исток, сток (токопроводящий канал). По технологии изготовления различают два типа полевых транзисторов: с изолированным затвором и с управляющим p-n переходом. Общая структура полевого транзистора показана на рис. 1. Рис. 1. Структура полевого транзистора.

Лекция 4 Существует 3 основных вида полевых транзисторов: Полевой транзистор с изолированным затвором с индуцированным каналом (ПТИЗ с ИК); Полевой транзистор с изолированным затвором со встроенным каналом (ПТИЗ с ВК); Полевой транзистор с управляющим переходом (ПТУП). Изображения данных полевых транзисторов представлены на рис. 2. Рис. 2. Типы и виды полевых транзисторов.

Основной характеристикой полевого затворная характеристика (рис. 3). транзистора Лекция 4 является стоко- Рис. 3. Стоко-затворная характеристика полевых транзисторов.

Лекция 4 Рассмотрим характеристики полевых транзисторов с p-n переходом. Прежде всего, отметим, что если при отсутствии напряжения между истоком и стоком на затвор полевого транзистора приложить достаточно большое запирающее напряжение, зоны p-n перехода смыкаются. Поскольку в зоне отрицательно смещённого p-n перехода количество носителей заряда мало, тока между истоком и стоком протекать не будет, практически при любом напряжении между истоком и стоком. Напряжение, при котором ток между истоком и стоком становится близким к нулю, называется напряжением отсечки UОТС. Если между истоком и стоком приложить напряжение UС, как показано на рис. 4, то смыкание зон p-n перехода произойдёт при меньшем напряжении на затворе, а границы зоны p-n перехода искривляются (см. рис. 4). Это связано с тем, что запирающее p-n переход напряжение между затвором и стоком больше, чем между затвором и стоком на напряжение UС. Рис. 4.

Лекция 4 При малых напряжениях на стоке рост тока будет происходить достаточно быстро. При достижении напряжения UС, соответствующему смыканию зон pn перехода, рост тока резко замедляется, т. к. происходит его насыщение. В этом случае токопроводящий слой, близкий к стоку, превращается в токовый шнур, который поддерживает ток практически неизменным даже при больших изменениях напряжения на стоке. Напряжение, при котором канал приобретает форму шнура, называется напряжением насыщения UСН (рис. 5). При изменении напряжения на затворе характеристики IС=f(UС) принципиально не изменяются, но при больших UЗ характеристики пойдут ниже, а напряжение насыщения UСН уменьшается. Рис. 5. Зависимости тока стока от напряжений на затворе а) и напряжений на стоке б).

Лекция 4 Один из главных параметров полевых транзисторов - его крутизна S. Крутизна полевого транзистора определяется следующим образом: при UС=const и заданном UЗ Крутизна обычно измеряется в м. А/В и для типовых транзисторов она равна десятым долям - единицам м. А/В. Чем больше крутизна S, тем больше изменяется ток в стоковой цепи при изменении напряжения на затворе, т. е. тем большее усиление можно обеспечить с помощью полевого транзистора. Именно поэтому стараются использовать полевой транзистор при достаточно больших напряжениях на стоке и приемлемо малых напряжениях на затворе. Следует учитывать, что запирающее напряжение на затворе, обеспечивающее режимный ток полевого транзистора, должно быть таким, что при подаче входного сигнала напряжение на затворе всегда оставалось отрицательным. В противном случае управляющий p-n переход окажется смещённым в прямом направлении и полевой транзистор потеряет своё основное достоинство - большое входное сопротивление.

Лекция 4 Другим важным параметром полевого транзистора является дифференциальное сопротивление канала r. К на пологом участке зависимости IС=f(UС). Оно определяется, как при UЗ=const и заданном токе IС. Это сопротивление обычно достаточно велико, поэтому зависимости IC=f(UC) на пологом участке практически параллельны оси абсцисс. Произведение S и r. К называется коэффициентом усиления напряжения полевого транзистора μ: μ=Sr. К. Коэффициент μ показывает, какой предельный коэффициент усиления по напряжению можно получить, если выполнить на полевом транзисторе усилительный каскад.

Лекция 4 Эквивалентная схема полевого транзистора с p-n переходом приведена на рис. 6. Рис. 6. Эквивалентная схема полевого транзистора с p-n переходом для малого сигнала. В этой эквивалентной схеме учтено, что полевой транзистор управляется полем, т. е. в отличие от биполярного транзистора входное сопротивление очень велико и в схеме не учитывается. Ёмкости СЗС, СЗИ, СИС оказывают влияние только на высоких частотах, уменьшая коэффициент усиления каскадов, выполненных на полевых транзисторах. Основные усилительные свойства полевого транзистора определяются генератором тока SUЗИ и сопротивлением канала r. К.

Лекция 4 По сравнению с биполярными транзисторами полевые транзисторы с p-n переходом имеют не только существенно большее входное сопротивление, но и малый уровень собственных шумов. Шумами в электронных устройствах принято называть флуктуации электрического тока или напряжения, обусловленные хаотичным движением носителей заряда. Уровень собственных шумов активных приборов определяет тот минимальный сигнал, который может быть усилен при их использовании. Статические характеристики МДП транзистора, которого характеризуют те же параметры, что и у полевого, показаны на рис. 7. Рис. 7. Статические характеристики МДП-транзистора: а - выходные; б - передаточные.

Лекция 4 n МДП-транзисторы по сравнению с полевыми транзисторами с p-n переходом имеют меньшую температурную стабильность и больший уровень шума. Это связано с тем, что канал в МДП-транзисторе расположен вблизи поверхности полупроводника рядом с диэлектриком, который, как правило, загрязнён примесями. Примеси вызывают температурную нестабильность и флуктуации электрического тока. Однако благодаря разнообразию характеристик различных типов МДП-транзисторов, удобству и простоте изготовления они находят широкое применение в современных цифровых микросхемах. На их основе делаются основные узлы и блоки современных компьютеров. n Биполярные транзисторы существенно уступают полевым по величине входного сопротивления, но превосходят их по усилительным и частотным свойствам. Именно поэтому на их основе делаются микросхемы высокочастотных усилителей.

Вопросы для самопроверки. Лекция 4 В чём отличие принципа действия полевых и биполярных транзисторов? n Поясните название: полевой, канальный, униполярный. n В чём заключается принцип действия полевого транзистора с управляющим p-n переходом? n Как и почему называются выводы полевого транзистора? n Какая аналогия между выводами биполярных и полевых транзисторов? n Как обозначаются полевые транзисторы с p-n переходом в схемах? n Можно ли использовать полевой транзистор с p-n переходом при открытом p-n переходе? n От каких причин зависит ширина канала в полевом транзисторе с p-n переходом? n Поясните, название МДП и МОП транзисторы. n В чём заключается принцип действия МДП-транзистора? n Что такое встроенный и индуцируемый каналы? n Какое напряжение нужно подать на затвор МДП-транзистора с встроенным nканалом, чтобы между истоком и стоком отсутствовал ток? n Чем отличаются каналы в полевых транзисторах с p-n переходом и МДПтранзисторах? n Какие преимущества и недостатки полевых транзисторов по сравнению с n биполярными?