НазваниеПолевые транзисторы
Дата конвертации06.08.2013
Размер100.61 Kb.
ТипДокументы


Полевые транзисторы



Введение

Полевые транзисторы – это полупроводниковые приборы, усилительные свойства которых обусловлены потоком основных носителей, который протекает через проводящий канал и управляется электрическим полем. Полевые транзисторы предназначены для усиления мощности и преобразования электрических колебаний. В полевых транзисторах в образовании выходного тока участвуют носители только одного типа: или дырки, или электроны. Отсюда другое название полевых транзисторов – униполярные. Носители заряда являются основными для активной области полевого транзистора, которую называют каналом. Существует два типа полевых транзисторов: с управляющим р-n переходом и с изолированным затвором (МДП).
1. Транзисторы с управляющим р-n переходом

Рассмотрим упрощенную структуру и принцип действия транзистора с управляющим р-n переходом (рис. 1, а). Транзистор представляет собой пластину полупроводника n- или р-типа, на верхней и нижней поверхностях которой созданы области противоположного типа электропроводности (З), на границах между областями образуются р-n переходы. На торцевых сторонах пластины и на областях формируют омические (невыпрямляющие) контакты. Контакты областей (З) соединены между собой и образуют общий контакт. От всех трех контактов имеются выводы. Часть объема пластины полупроводника, расположенная между р-n переходами, является активной частью транзистора – канал транзистора. Контакт, через который носители заряда входят в канал, называют истоком (И); контакт, через который носители заряда вытекают, называют стоком (С); общий электрод от контактов областей (З) – затвором. В дальнейшем будем рассматривать транзистор на основе пластины полупроводника n-типа (рис. 1, а) с областями на гранях р типа.


Рис. 1.
На оба р–n перехода подается обратное напряжение смещения (минус на затворе по отношению к истоку). Если бы канал был р-типа, а области на гранях n-типа, то полярность напряжения смещения была бы обратной. При изменении изменяются ширина p-n перехода, а, следовательно, и сечение канала и его электрическое сопротивление. Таким образом, управляет сопротивлением канала.

Если между истоком и стоком включить источник напряжения так, чтобы потенциал стока был положительным относительно истока, то через канал начнется дрейф основных для канала носителей заряда (электронов) от истока к стоку, т. е. через канал будет проходить ток (направление тока от стока к истоку). Включение источника влияет и на ширину p-n переходов, так как напряжение на p-n переходе оказывается разным около стока и истока. Потенциал канала меняется по его длине: потенциал истока равен нулю, повышаясь в сторону стока, потенциал стока равен . Напряжение смещения на p-n переходе вблизи истока равно , вблизи стока , т. е. ширина p-n перехода больше со стороны стока, а сечение канала и, следовательно, сопротивление его наименьшие вблизи стока (пунктирная линия на рис. 1, а).

Таким образом, током через канал можно управлять путем изменения напряжений (изменяет сечение канала) и (изменяет ток и сечение по длине канала).

Рассмотрим, какие критические значения могут принимать напряжения, при которых изменяется режим работы транзистора.

Обратное напряжение смещения , при котором наступает режим отсечки и транзистор оказывается запертым (ток через него не протекает, ), называют напряжением отсечки . При этом значении напряжения p-n переходы смыкаются и поперечное сечение канала становится равным нулю.

Напряжение на стоке, при котором суммарное напряжение становится равным напряжению отсечки называют напряжением насыщения . Отсюда

, (1)

Режим, когда называют режимом насыщения. В этом режиме почти прекращается рост тока , несмотря на увеличение напряжения . Это объясняется тем, что одновременно увеличивается обратное напряжение на затворе (1), вследствие чего канал сужается, что уменьшает ток . И в результате ток почти не изменяется.

Сравнивая оба режима, можно заключить, что в режиме отсечки сопротивление канала стремится к бесконечности и при ток , а в режиме насыщения дифференциальное сопротивление , а ток с ростом остается без изменения.

На рис. 1,б,в показано обозначение транзисторов с управляющим p-n переходом с каналом n- и р-типа соответственно. Полевые транзисторы, как и биполярные, имеют три схемы включения (рис. 2): с общим истоком (ОИ) (а), общим стоком (ОС) (б) и с общим затвором (ОЗ) с каналом n-типа (в). Основной схемой включения является схема с ОИ (см. рис. 1, а).

Основными статическими характеристиками транзистора с управляющим p-n-переходом являются выходные (стоковые) и характеристики прямой передачи (стокозатворные). Стоковые характеристики — это зависимости при (рис. 3). С повышением ток увеличивается почти прямолинейно и при достижение (точки н) рост прекращается. Насыщение наступает при тем меньших значениях , чем больше .


Рис. 2.
На рис. 4 показано семейство характеристик прямой передачи зависимости при .

В динамическом режиме на работу транзистора существенное влияние оказывают зарядные емкости р-n переходов: входная и проходная . Входная емкость это часть барьерной емкости p-n перехода между затвором и истоком, а проходная часть барьерной емкости р-n перехода между затвором и стоком. Кроме того, учитывают емкость между истоком и стоком . Эти емкости заряжаются через сопротивления каналов. Зарядка – разрядка емкостей происходит не мгновенно, что и обусловливает инерционность прибора, а следовательно, влияет на частотные свойства полевых транзисторов. Отметим, что так как (в отличие от биполярных транзисторов) работа полевых транзисторов не связана с инжекцией неосновных носителей заряда и их движением к коллектору, то они свободны от влияния этих факторов на их частотные свойства.



Рис. 3. Рис. 4.
Основными параметрами транзисторов с управляющим р-n переходом являются:

крутизна стокозатворной характеристики, представляющая собой отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с ОИ . Крутизна характеризует управляющее действие затвора. Как правило, ее измеряют при и . Значения обычно составляют несколько миллиампер на вольт;

входное дифференциальное сопротивление

, (2)

где — ток затвора, вызванный движением неосновных носителей через p-n переход. Так как концентрация неосновных носителей в канале (рn) и в р–областях (nр) невелика, то обратный ток мал и почти не зависит от напряжения . Поэтому очень велико и составляет ;

выходное дифференциальное сопротивление (дифференциальное сопротивление цепи стока)

, (3)

Это сопротивление равно ;

напряжение отсечки , т.е. – напряжение на затворе при и ;

междуэлектродные емкости: затвор-исток, – затвор-сток, – сток-исток. Эти емкости измеряют при разомкнутых по переменному току остальных выводах.
2. Транзисторы с изолированным затвором

Транзисторы этого типа называют также МДП–транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП-транзисторами (если в качестве диэлектрика используют окисел – чаще всего диоксид кремния ). МДП-транзисторы бывают двух типов: со встроенным каналом и с индуцированным. Основу МДП-транзистора со встроенным каналом (рис. 5, а) составляет слабо насыщенная примесью пластина (подложка) полупроводника с электропроводностью nили р–типа (на рисунке ), в которой созданы две сильно насыщенные примесью области противоположного типа электропроводности (на рисунке р+). Расстояние между р+–областями . Они соединены тонким слоем полупроводника того же типа электропроводности, что и р+–области, но этот слой слабо насыщен примесью (р–канал). Поверхность пластины полупроводника покрыта слоем диэлектрика толщиной . На слой диэлектрика над каналом нанесен металлический контакт – затвор (З). Области р+ также имеют металлические контакты, один из которых называют истоком (И), другой – стоком (С). Обычно для пластины полупроводника используют кремний, а в качестве диэлектрика – пленку диоксида кремния, выращенную на поверхности кремния путем окисления его при высокой температуре.


Рис. 5.
На рис. 6 показаны схемы включения МДП–транзистора: а — с общим истоком (ОИ); б — с общим стоком (ОС); в — с общим затвором (ОЗ) (полярность выводов на рисунке не показана, так как она зависит от режима работы).



Рис. 6.

Принцип работы МДП-транзистора со встроенным каналом рассмотрим на примере схемы с ОИ (рис. 6, а). В полупроводнике у его поверхности в электрическом поле происходит обеднение или обогащение приповерхностного слоя носителями заряда, что зависит от направления электрического поля в канале транзистора. Это направление электрического поля определяется знаком потенциала на затворе относительно пластины. Если на затвор подан положительный потенциал электрическое поле будет выталкивать дырки из канала и канал обеднится основными носителями (дырками), а проводимость канала уменьшится. Если на затвор подан отрицательный потенциал, то дырки начнут втягиваться в канал и обогащать его основными носителями, проводимость канала увеличится. В первом случае транзистор работает в режиме обеднения, во втором случае — в режиме обогащения. Если исток и сток подсоединить к источнику питания , то начнется дрейф дырок через канал, т. е. через канал пройдет ток стока , значение которого зависит как от так и от . При прохождении тока в канале создается падение напряжения. Потенциал истока равен нулю, а потенциал стока равен – (как и в транзисторе с управляющим р-n переходом). На границе пластины n-типа с областями р-типа и каналом р-типа образуется р-n переход, который смещен в обратном направлении. Так как в МДП-транзисторах затвор изолирован от полупроводника пленкой диэлектрика, то эти транзисторы могут работать как при положительном, так и при отрицательном напряжении

Статические характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом р-типа показаны на рис. 7: выходные (стоковые) – на рис. 7,а, характеристика передачи (стокозатворная) — на рис. 7, б; для режима обеднения — область I, обогащения — область II.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (см. рис. 5, б) канал не создается в процессе изготовления, а образуется под воздействием электрического поля. Если к транзистору с ОИ подключить напряжение , по цепи стока пойдет обратный ток р-n перехода, значение которого очень мало. При подключении в цепь затвора напряжения так, чтобы потенциал затвора относительно истока и пластины был обязательно отрицательным (для транзистора на рис. 5, б), под действием электрического поля под затвором приповерхностный слой пластины полупроводника объединится.


Рис. 7.
Если достигнет определенного значения, называемого пороговым (, то слой полупроводника под затвором настолько обеднится, что произойдет его инверсия: образуется канал р-типа, который соединит обе области р-типа. Если , по каналу потечет ток стока. Изменяя напряжение на затворе можно менять толщину и поперечное сечение канала и тем самым его сопротивление, а следовательно, и ток стока . На значение влияет также напряжение . При этом изменяется и форма канала.

Семейство выходных статических характеристик (рис. 8, а) аналогично семейству выходных характеристик транзистора с управляющим p-n переходом. Однако характеристика для в этом случае отсутствует, так как канал индуцируется при . Характеристики передачи (рис. 8, б) при . Они сдвинуты относительно нуля координат на .


Рис. 8.
Параметры МДП-транзисторов те же, что и для транзисторов с управляющим р-n переходом. В качестве параметра используют также крутизну характеристики по подложке:

, (4)

с помощью которого учитывается влияние напряжения на пластине на ток стока.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом используют чаще, чем транзисторы с встроенным каналом. Существенно то, что при отсутствии сигнала на входе они находятся в закрытом состоянии и не потребляют мощности от источника питания.
3. Применение полевых транзисторов.

Полевые транзисторы нашли широкое применение в радиоэлектронике. МДП–транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление (, иногда до ). Транзисторы с управляющим р-n переходом имеют более низкое входное сопротивление (до при комнатной температуре). Кроме того, параметры МДП-транзисторов меньше зависят от температуры, чем параметры биполярных (так как принцип их работы основан на использовании только основных носителей). Полевые транзисторы могут работать при низких температурах (вплоть до близких к абсолютному нулю), имеют высокую стабильность параметров во времени при воздействии различных внешних факторов, обладают высокой радиационной устойчивостью (она на порядок больше, чем кремниевых биполярных, но ниже, чем у радиоламп), что важно при использовании транзисторов в космической технике.

Полевые транзисторы просты в изготовлении, поэтому выход годных приборов выше, чем биполярных. При использовании их в интегральных микросхемах удается получать высокую плотность расположения элементов (на порядок выше, чем в схемах на биполярных транзисторах). В монолитных интегральных схемах на МДП-транзисторах их можно использовать в качестве резисторов (МДП-транзисторы, работающие на ненасыщенных участках статических характеристик). Полевые транзисторы применяют в логических схемах, так как большие матрицы из этих элементов располагаются очень компактно. Их широко используют в цифровых вычислительных машинах.

Однако, несмотря на целый ряд преимуществ полевых транзисторов перед биполярными, они не могут заменить их полностью. Это, в частности, связано с малым коэффициентом усиления полевых транзисторов. Рабочий диапазон частот полевых транзисторов значительно меньше, чем биполярных: их чаще всего используют до частот в несколько мегагерц.




Похожие:

Полевые транзисторы iconПолевые транзисторы с управляющим переходом металл – полупроводник и гетеропереходом
Другие названия этих транзисторов: транзисторы на электронах с высо­кой подвижностью, гмеП транзисторы, полевые транзисторы с модулиро­ван­ным...

Полевые транзисторы iconПсевдоморфные полевые транзисторы с высокой подвижностью 2D-электронов в канале (phemt) Курсовая работа
Расчет концентрации 2D-носителей в канале с учетом заполнения четырех квантовых уровней

Полевые транзисторы icon4 полевые транзисторы
Полевой транзистор имеет следующие три электрода: исток, из которого они вытекают в канал, сток, в который ос­новные носители втекают...

Полевые транзисторы iconТранзисторы
Транзистор представляет собой комбинацию из двух высоколегированных слоев (коллектор и эмиттер), разделенных слоем слаболегированного...

Полевые транзисторы iconЛекция 11. Полевые транзисторы с изолированным затвором полевой транзистор с изолированным затвором это полевой транзистор, имеющий один или несколько затворов, электрически изолированных от проводящего канала
Полевой транзистор с изолированным затвором – это полевой транзистор, имеющий один или несколько затворов, электрически изолированных...

Полевые транзисторы iconК вопросу о сверхтекстовых единствах в песенном репертуаре региона: позднетрадиционные песни из ритуала встречи и проводов на службу (полевые записи из Волгоградской области). 1

Полевые транзисторы icon3. 1 общие сведения о биполярных транзисторах
В транзисторе чередуются по типу электропроводности три области полупроводника. В зависимости от порядка чередования областей различают...

Полевые транзисторы iconПримерная оценка почвы по полевым данным
Для того чтобы точно изучить почву, выяснять ее свойства, установить уровень ее плодородия и наметить пути его повышения, необходимы...

Полевые транзисторы iconОлевые транзисторы
Общие сведения. Полевыми транзисторами называют полупроводниковые приборы, у которых для управления током используется зависимость...

Полевые транзисторы iconОтчет «О проведении испытаний химических средств защиты растений в посевах яровой пшеницы» Наименование учреждения, проводившего полевые испытания исполнитель
Тоо «Северо-Казахстанская сос», Аккайынского района, Северо-Казахстанской области, Республики Казахстан