Полевые транзисторы - Электроника и схемотехника аналоговых устройств

Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, работа которого основана на модуляции сопротивления полупроводника поперечным электрическим полем (полевой). Его усилительные свойства обусловлены потоком основных носителей заряда одного знака (униполярный), протекающими через проводящий канал (канальный).

Делятся на транзисторы:

    А) с управляемым p-n переходом (ПТУП); Б) с изолированным затвором (МДП, МОП); В) пленочные полевые (ППТ) на диэлектрической подложке.

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом

Существует несколько разновидностей. В 1952 г. Шокли впервые описал унитрон - полевой транзистор плоской конфигурации. В транзисторе проводящий канал изолирован от затвора p-n переходами, смещенными в обратном направлении. По каналу между электродами стока и истока протекает ток основных носителей.

Истоком (И) называется электрод, от которого начинают движение (истекают) основные носители заряда в канале. Электрод, к которому движутся (стекают) носители заряда, называется стоком (С). Управляющее напряжение прикладывается к третьему электроду - затвору (З). Структура такого транзистора со схемой подачи напряжений и направлений тока изображена на рисунке 6.1. Допустим :

    А) если, образуется равномерный р-п переход, чем больше напряжение |Uзи |, тем шире переход и уже проводящий канал; Б) если напряжение не равно нулю, то ширина канала неравномерна из-за падения напряжения на сопротивлении канала от тока стока Ic. В точке а напряжение равно Uа=Uзи, в точке б - Uб = Uзи + Uси.

Принцип работы транзистора с управляющим р-п переходом основан на изменении сопротивления канала за счет изменения под действием обратного напряжения ширины области р-п перехода, обедненной носителями заряда. При увеличении Uзи увеличивается р-п переход в сторону канала, поперечное сечение канала уменьшается, уменьшается ток стока. При большом напряжении затвора Uзи канал смыкается, ток стремится к нулю. Это напряжение Uзи между затвором и истоком называется напряжением отсечки Uзо.

Основными характеристиками транзистора являются стокозатворная Ic = f(Uзи) при Uси = const (рисунок 6.3,а) и стоковые или выходные характеристики Ic = f(Ucи) при Uзи = const (рисунок 6.3,б). На выходных характеристиках можно выделить две области: область 1 крутого изменения тока (линейный омический участок характеристики) и область П (нелинейный пологий, рабочий участок), соответствующую режиму насыщения. При малых Ucи расширение запирающего слоя незначительно. При увеличении Ucи ток стока увеличивается по закону Ома. С некоторого момента (Ucи = Ucи нас) наступает насыщение. Ток стока не растет с увеличением напряжения Ucи. Наступает своеобразное динамическое равновесие: увеличение тока стока вызывает увеличение падения напряжения на р-п переходе и сужение канала, которое уменьшает ток стока. Сужение идет в сторону стока. Сечение при этом минимально. Последующее увеличение Ucи не уменьшает сечение, а увеличивает длину узкого участка сечения, называемого "коридор" или "горловина". Поэтому ток стока постоянный.

В точке В напряжение стока достигает напряжения пробоя перехода. При дальнейшем увеличении Ucи увеличивается ток стока, и прибор может выйти из строя. При увеличении Uзи (следовательно, при меньших первоначальных сечениях) процессы аналогичны, но сужение канала наступает раньше, это приводит к более раннему выходу на участок насыщения. Ток стока ограничен на более низком уровне.

Стокозатворная или характеристика передачи

Ic = f(Uзи) при Uси = const

Приведена на рисунке 6.3,а). Ее используют для вычисления параметра - крутизны характеристики S, показывающего эффективность управляющего действия затвора

S = |Ucи=соnst.

Другим важным параметром транзистора является выходное сопротивление

|Uзи=const

Усилительные свойства полевых транзисторов характеризуются коэффициентом усиления

|Uзи=const,

Который связан с крутизной характеристики и выходным сопротивлением уравнением м=Ri?S.

Типовые значения параметров кремниевых полевых транзисторов с управляющим р-п переходом следующие: S = 0,3...3 мА/В; Ri = 0,1...1 МОм; м = 10...100. Кроме того, в справочниках приводятся параметры, характеризующие физические и электрические свойства транзисторов, например, сопротивление затвора Rз=(109 - 1012 Ом); сопротивление канала Rк = (50...800 Ом); емкость затвора Сз =(0,2...10 пФ) и др.

Основными преимуществами полевых транзисторов с управляющим переходом являются высокое входное сопротивление, малые шумы, простота изготовления, отсутствие в открытом состоянии остаточного напряжения между стоком и истоком открытого транзистора.

Разновидность полевого транзистора с цилиндрическими электродами называется текнетроном. У него выше крутизна характеристики. Полевой транзистор с кольцеобразными электродами и дополнительным дисковым управляющим электродом - престриктором - называется алкатрон. Получается он вращением унитрона вокруг вертикальной оси через сток.

Полевые транзисторы с изолированным затвором отличаются от полевых транзисторов с управляющим р-п переходом тем, что электрод затвора изолирован от полупроводниковой области канала слоем диэлектрика. Эти транзисторы имеют структуру металл - диэлектрик - полупроводник и называются кратко МДП-транзисторами. Если в качестве диэлектрика используется оксид кремния, то их называют также МОП-транзисторами. Сопротивление канала изменяется за счет изменения концентрации подвижных носителей в поверхностном (подзатворном) слое полупроводника под действием внешнего электрического поля. Поле создается напряжением, которое прикладывается к затвору. Затвор - это металлический электрод, который отделен от поверхности полупроводника слоем тонкой диэлектрической пленки. Наличие пленки позволяет подавать на затвор либо положительное, либо отрицательное напряжение. Ток через затвор в обоих случаях отсутствует. Транзисторы подразделяется на два класса:

    А) со встроенным (проводящим) каналом; Б) с индуцированным (непроводящим) каналом.

Полевой транзистор со встроенным каналом

Структура транзистора приведена на рисунке 6.5.

Здесь р+ -- область с повышенной концентрацией примесей; Д - диэлектрик; Ме - металл; И - исток; С - сток; З - затвор.

При Uси ? 0 и = 0 течет ток стока Iс.

При <0 в канал притягиваются дырки - режим обогащения, ток Iс растет.

При >0 от затвора отталкиваются дырки - режим обеднения, ток Iс снижается.

Стокозатворные характеристики транзистора

Приведены на рисунке 6.6,а).

Выходные характеристики транзистора

- на рисунке 6.6,б). Как видно из рисунков, характеристики МДП-транзистора похожи на характеристики унитрона, но при Uз < 0 ток Iс растет.

Транзистор с индуцированным каналом (рисунок 6.7)

В этом транзисторе отсутствует структурно выраженный канал.

При Uз =0,

,

Так как отсутствует проводимость между стоком и истоком. Здесь имеет место два встречновключенных р-п переходов.

При Uз > 0 электроны притягиваются к поверхности. Режим обеднения не применяется.

При Uз < 0 притягиваются дырки и образуется индуцированный канал К, по которому течет ток.

Наиболее широко используется транзистор с индуцированным р каналом из - за простоты изготовления.

Технология изготовления - диффузия примесей с использованием литографии, эпитаксиального наращивания, напыления тонких пленок.

Некоторые типовые значения параметров МДП-транзисторов следующие: крутизна характеристики S = 0,1...3 мА/В; выходное сопротивление Ri =105...107 Ом; коэффициент усиления м=1...100; входное сопротивление

; .

При может быть пробой оксидного слоя затвора и транзистор необратимо повреждается. Такие перенапряжения могут возникнуть из-за высокого входного сопротивления и малой входной емкости. Особенно опасны статические заряды, которые могут привести к пробою даже при касании его рукой. Поэтому при пайке МДП-транзистора надо заземлять паяльник, прибор и самого монтажника. Для защиты МДП-транзистора между затвором и подложкой включают стабилитроны. При этом уменьшается входное сопротивление до Rвх полевых транзисторов с управляющим р-п переходом.

Полевые транзисторы могут быть включены по схеме с общим затвором (ОЗ), с общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Отличительным свойством полевых транзисторов является то, что управляющим сигналом является не ток, а напряжение в цепи затвор - исток.

Полевые транзисторы успешно применяют в различных усилительных и переключающих устройствах, их часто используют в сочетании с биполярными транзисторами.

Достоинствами транзисторов с изолированным затвором являются:

А) высокое входное сопротивление -

Rвх = (с р-п переходом); Rвх мдп = ;

    Б) высокое быстродействие и термостабильность, так как ток образуется основными носителями - отсутствует инжекция и экстракция; В) простота и технологичность изготовления; Г) малые габариты и площадь; Д) шире функциональные возможности, можно использовать в качестве резистора, емкости, диода - технологически эффективные ИС; Е) гальваническая развязка входной и выходной цепи; Ж) возможность работы без специального смещения (упрощает ИС); И) малый уровень шумов; К) возможность параллельной работы без специального выравнивания, благодаря термоустойчивости.

Недостатками являются:

    А) низкая добротность; Б) низкая временная стабильность из-за старения (ухудшаются свойства диэлектрика); В) необходимость принятия мер предосторожности из-за возможности пробоя тонкого слоя диэлектрика статическим или наведенным зарядом; Г) ухудшение частотных свойств из-за большой входной емкости.

В таблице 6.1 приведены условные графические обозначения полевых транзисторов.

Таблица 6.1

Наименование прибора

Обозначение

Полевой транзистор с управляющим р-п переходом с n-каналом

Полевой транзистор с управляющим р-п переходом с p-каналом

Полевой транзистор с изолированным затвором со встроенным n_каналом

Полевой транзистор с изолированным затвором со встроенным p_каналом

Полевой транзистор с изолированным затвором с индуцированным n_каналом

Полевой транзистор с изолированным затвором с индуцированным p__каналом

Похожие статьи




Полевые транзисторы - Электроника и схемотехника аналоговых устройств

Предыдущая | Следующая