УНИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР Униполярным(полевым) транзистором называется полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на изменении сопротивления полупроводникового материала под воздействием поперечного электрического поля. Полевые транзисторы подразделяются на: - транзисторы с управляющим p-n переходом - транзисторы с изолированным затвором.
УНИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР С УПРАВЛЯЮЩИМ P-N ПЕРЕХОДОМ Униполярный транзистор с управляющим p-n переходом – это транзистор, в котором управление потоком основных носителей в примесном полупроводнике осуществляется с помощью p-n перехода, смещенного в обратном направлении. Конструктивно полевой транзистор с управляющим p-n переходом имеет два электрода, присоединенных к полупроводнику, по которому протекает поток основных носителей заряда (рис. 1), и один (рис. 1 а) или два (рис. 1 б) управляющих p-n перехода, смещенных в обратном направлении.
Рис. 1. Структуры полевых транзисторов с одним управляющим p-n переходом (а) и с двумя управляющими p-n переходами (б)
Область полупроводника, по которой протекает поток основных носителей, называется каналом, электроды, присоединяемые к каналу, носят название исток и сток, а электрод, на который подается управляющий сигнал, называется затвором. Канал может иметь электропроводность как n, так и p типа. Поэтому различают полевые транзисторы с n каналом и p каналом. VT 1 З С И Рис. 2. Условные графические изображения полевого транзистора с управляющим p-n переходом с каналом n и p типа
Принцип действия полевого транзистора с управляющим p-n переходом основан на изменении сопротивления канала за счет изменения размеров области, обедненной основными носителями заряда, которое происходит под действием приложенного к затвору напряжения.
Рис. 3. Схема подключения полевого транзистора с управляющим p-n переходом с n каналом к источнику питания
Отличительная особенность полевого транзистора с управляющим p-n переходом: 1. Малость входных токов 2. Высокое входное сопротивление 3. Низкий уровень шума (отсутствуют процессы рекомбинации носителей)
Статические характеристики транзистора с управляющим p-n переходом Важнейшими семействами статических характеристик полевого транзистора с управляющим p-n переходом являются семейство статических выходных характеристик и семейство статических характеристик передачи. Выходные статические характеристики полевого транзистора представляют собой зависимости тока стока от напряжения на стоке при различных постоянных напряжениях на затворе = пост.
Рис. 4. Семейство выходных статических характеристик полевого транзистора с управляющим p-n переходом
Характер зависимости между током и напряжением при = пост. определяется изменением сопротивления канала. Ширина управляющего p-n перехода при = пост. зависит как от , так и от величины тока , протекающего через канал. При > 0 ток, протекающий через транзистор , создает вдоль канала падение напряжения. Напряжение, запирающее управляющий p-n переход, возрастает в направлении от истоку к стоку. В области около истока действует напряжение , а в области около стока| |+. В направлении от истока к стоку ширина p-n перехода увеличивается, а сечение канала и проводимость его уменьшается (рис. 3).
Начальный участок выходной статической характеристики квазилинейный (рис. 4). Нелинейность начального участка (рис. 4, участок 1) характеристики вызвана увеличением толщины p-n перехода и уменьшением сечения канала около стока по мере увеличения (рис. 5)
Рис. 5. Увеличение толщины управляющего p-n перехода со стороны стока при увеличении напряжения на стоке
При определенном значении тока стока наступает режим насыщения, в области стока автоматически устанавливается некоторое малое сечение канала. Часть характеристики, соответствующей режиму насыщения тока стока называют пологой частью выходной характеристики. Напряжение на стоке, при котором транзистор переходит в режим насыщения , зависит от напряжения =| где |-| |, - напряжение на затворе, при котором (1) = 0.
При увеличении на затворе запирающего напряжения уменьшается начальное поперечное сечение канала, режим насыщения наступает при меньших значениях напряжения и при меньшей величине тока (рис. 4).
Статические характеристики передачи это зависимости тока стока от напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке = пост. , соответствующим пологой части выходных характеристик. Рис. 6. Семейство статических характеристик передачи полевого транзистора с управляющим p-n переходом
Статические параметры транзистора с управляющим p-n переходом К числу наиболее важных параметров полевого транзистора с управляющим p-n переходом можно отнести: - напряжение отсечки полевого транзистора – напряжение между затвором и истоком транзистора, при котором ток стока равен нулю. S – крутизна характеристики передачи. Крутизна характеристики передачи представляет собой отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при фиксированном напряжении между стоком и истоком = пост.
S=| |= (1 - ), (2) где - сопротивление сток-исток в открытом состоянии (при = 0). Усилительные свойства полевого транзистора с управляющим p-n переходом определяется коэффициентом усиления µ == | |=S , (3) где = - дифференциальное сопротивление транзистора, определяемое на пологом участке выходных статических характеристик полевого транзистора с управляющим p-n переходом при фиксированном напряжении затвор – исток = пост.
Схема замещения полевого транзистора с управляющим p-n переходом Сопротивления и - объемные сопротивления участков полупроводника между концами канала и контактами стока и истока соответственно. Эти сопротивления, малы. Величины и - барьерная емкость и сопротивление p-n перехода между истоком и затвором, который смещен в обратном направлении. Аналогично величины и - барьерная емкость и сопротивление p-n перехода между стоком и затвором, смещенного в обратном направлении. Наконец, генератор тока S отражает влияние напряжения затвор-исток на величину тока стока.
Рис. 7. Схема замещения полевого транзистора с управляющим p-n переходом
Для выполнения аналитических вычислений величины, входящие в схему замещения, должны быть определены. Для этого может быть использована система Y – параметров. Для полевого транзистора, включенного по схеме с общим истоком, в режиме малого сигнала система Y – параметров определяется следующей системой уравнений: ∆ = ∆ + ∆ ∆ (4) , (5)
где Y – параметры определяются из следующих соотношений: = при ∆ =0 = при ∆ = 0 (6) =0 (7) и, могут быть вычислены из выходных статических характеристик и статических характеристик передачи. Если пренебречь малыми проводимостями p-n перехода затвора и , а также объемными сопротивлениями полупроводника и , то Y – параметры связаны с параметрами схемы замещения следующими соотношениями:
= jω ( = S – jω + ); ; = -jω (8) = (9) + jω Инерционность и частотные свойства полевого транзистора с управляющим переходом обусловлены только инерционностью процесса заряда и разряда барьерной емкости p-n перехода затвора. С ростом частоты входного сигнала полное входное сопротивление транзистора уменьшается из-за наличия емкости , что проявляется в снижении коэффициента усиления. Наличие в полевом транзисторе проходной емкости приводит к возникновению частотно-зависимой обратной связи. С ростом частоты сигнала обратная связь увеличивается, что уменьшает полное входное сопротивление полевого транзистора и приводит к уменьшению его усиления.
УНИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ Униполярным(полевым) транзистором с изолированным затвором называется полевой транзистор, имеющий один или несколько затворов, электрически изолированных от проводящего канала.
Рис. 8. Конструкция полевых транзисторов с изолированным затвором и p каналом а – с индуцированным каналом, б - с встроенным каналом
Конструкция, представленная на (рис. 8) состоящая из слоя металла, диэлектрика и полупроводника, получила название МДП – структура, а полевой транзистор с изолированным затвором – название МДП – транзистор. В МДП – транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал между сильно легированными областями истока и стока отсутствует и появляется только при определенной полярности и при определенной величине напряжения на затворе относительно истока, которое называется пороговым напряжением ( ). В МДП – транзисторах с встроенным каналом у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока уже существует проводящий канал, соединяющий исток со стоком.
МДП – транзистор с индуцированным каналом При напряжении на затворе превышающем под воздействием поля затвора из сильно легированной области истока «вытягиваются» носители заряда (в рассматриваемом случае – дырки), в полупроводнике под затвором возникает весьма тонкий слой носителей заряда (так называемый – инверсный слой), который образует проводящий канал между истоком и стоком. При изменении напряжения на затворе меняется концентрация инверсных носителей заряда, а также поперечное сечение проводящего канала. В связи с тем, что затвор отделен от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал.
Статические характеристики транзистора с индуцированным каналом Выходные статические характеристики – это зависимости = ƒ ( ) при = пост. Нелинейность крутой части характеристик объясняется уменьшением поперечного сечения канала около стока при увеличении напряжения на стоке и неизменном напряжении на затворе. При достижении напряжения насыщения поперечное сечение канала около стока достигает своей минимальной величины и дальнейшее увеличение напряжения на стоке вызывает лишь весьма малое увеличение тока стока (рис. 9 а).
Рис. 9. Выходные (а) и передаточные (б) вольтамперные характеристики МДП транзистора с индуцированным каналом
Статические характеристики передачи – это зависимости = ƒ( ) при = пост. Характеристики передачи для разных напряжений на стоке выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей пороговому напряжению. Температурная зависимость статических характеристик передачи (рис. 10) вызваны двумя причинами. Во-первых, увеличение температуры вызывает уменьшение подвижности носителей заряда, и уменьшение тока стока. Во-вторых, происходит перераспределение носителей заряда по энергиям, что приводит к образованию инверсного слоя у поверхности полупроводника при меньших напряженностях электрического поля.
Рис. 10. Влияние температуры на статические характеристики передачи МДП транзистора с индуцированным каналом
МДП – транзистор с встроенным каналом имеет проводящий канал под затвором МДП – транзистора, который создан тем или иным технологическим приемом изначально. Изменение сопротивления проводящего канала МДП – транзистора с встроенным каналом может происходить при положительной, так и при отрицательной полярности. МДП – транзистор с встроенным каналом может работать в двух режимах: - в режиме обогащения - в режиме обеднения канала носителями заряда (рис. 12).
Рис. 11. Конструкция МДП – транзистора с встроенным n каналом
Рис. 12. Выходные (а) и передаточные (б) вольтамперные характеристики МДП транзистора с встроенным каналом
Статические характеристики передачи (рис. 12 б) выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки. Статические параметры МДП – транзистора с изолированным затвором Основным параметром полевого транзистора с изолированным затвором, является S - крутизна характеристики передачи. S= где = ( - ), (10) - эффективная подвижность носителей в канале, - удельная емкость между затвором и каналом, l и b – длина и ширина канала соответственно.
Скачать презентацию УНИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР Униполярным полевым транзистором называется полупроводниковый прибор принцип
УНИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР 2.pptx