Полевой транзистор

Размещено на http://www.allbest.ru/

Полевой транзистор

Полевой транзистор - канальный транзистор, полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом. Протекание в П. т. рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы называются униполярными (в отличие от биполярных). По физической структуре и механизму работы П. т. условно делят на 2 группы. Первую образуют П. т. с управляющим р--n-переходом (см. Электронно-дырочный переход) или переходом металл -- полупроводник (т. н. барьером Шотки, см. Шотки эффект), вторую -- П. т. с управлением посредством изолированного электрода (затвора), т. н. транзисторы МДП (металл -- диэлектрик -- полупроводник). В последних в качестве диэлектрика используют окисел кремния (МОП-транзистор) или слоистые структуры, например SiO₂ -- Al₂O₃ (МАОП-транзистор), SiO₂ -- Si₃N₄ (МНОП-транзистор) и др. К П. т. с изолированным затвором относят также П. т. с т. н. плавающим затвором и П. т. с накоплением заряда в изолированном затворе (их применяют как элементы электронной памяти). В П. т. в качестве полупроводника используют в основном Si и GaAs, в качестве металлов, образующих переход, -- Al, Mo, Au. П. т. созданы в 50--70-е гг. 20 в. на основе работ американских учёных У. Шокли, С. Мида, Д. Канга, М. Аталлы и др.

В П. т. 1-й группы (рис., а и б) управляющим электродом (затвором) служит полупроводниковый или металлический электрод, образующий с полупроводником канальной области р--n-переход или переход металл -- полупроводник. На затвор подаётся напряжение, уменьшающее ток, который протекает от истока к стоку: при увеличении этого напряжения область пространственного заряда перехода (обеднённая носителями заряда) распространяется в канальную область и уменьшает проводящее сечение канала. При некотором значении напряжения затвора, т. н. напряжении отсечки U_oт, ток в приборе прекращается.

В П. т. с изолированным затвором (рис., б) управляющий металлический электрод отделен от канальной области тонким слоем диэлектрика (0,05--0,20 мкм). Канал может быть либо образован технологическим способом (встроенный канал), либо создан напряжением, подаваемым на затвор в рабочем режиме (индуцированный канал). В зависимости от этого прибор имеет передаточную характеристику соответственно вида I или II (см. рис., в).

П. т. широко применяют в электронной аппаратуре для усиления электрических сигналов по мощности и напряжению. П. т. -- твердотельные аналоги электронных ламп (См. Электронная лампа), они характеризуются аналогичной системой параметров -- крутизной характеристики (0,1--400 ма/в), напряжением отсечки (0,5--20 в), входным сопротивлением по постоянному току (10¹¹--10¹⁶ ом) и т.д.

П. т. с управляющим р--n-переходом обладают наиболее низким среди полупроводниковых приборов уровнем шумов (являющихся в основном тепловыми шумами) в широком диапазоне частот -- от инфранизких до СВЧ (коэффициент шума лучших П. т. < 0,1 дб на частоте 10 гц и Полевой транзистор 2 дб на частоте 400 Мгц). Мощность рассеяния П. т. такого типа может достигать нескольких десятков вт. Их основной недостаток -- относительно высокая проходная ёмкость, требующая нейтрализации её при большом усилении. В П. т. с переходом металл -- полупроводник достигнуты наиболее высокие рабочие частоты (максимальная частота усиления по мощности лучших П. т. на арсениде галлия > 40 Ггц). П. т. с изолированным затвором обладают высоким входным сопротивлением по постоянному току (до 10¹⁶ ом, что на 2--3 порядка выше, чем у др. П. т., и сравнимо с входным сопротивлением лучших электрометрических ламп (См. Электрометрическая лампа)). В области СВЧ усиление и уровень шумов у этих П. т. такие же, как и у биполярных транзисторов (предельная частота усиления по мощности около 10 Ггц, коэффициент шума на частоте 2 Ггц около 3,5 дб и динамический диапазон > 100 дб), однако они превосходят последние по параметрам избирательности и помехоустойчивости (благодаря строгой квадратичности передаточной характеристики). Относительная простота изготовления (по планарной технологии (См. Планарная технология)) и схемные особенности построения позволили использовать их в больших интегральных схемах (БИС) устройств вычислительной техники (например, созданы БИС, содержащие > 10 тыс. МДП-транзисторов в одном кристалле).

полевой транзистор полупроводниковый вольтамперный

Рис.1 Схематическое изображение полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом (а), с управляющим переходом металл -- полупроводник (б), с изолированным затвором (в) и их переходные характеристики: 1 -- затвор; 2 -- область канала; 3 -- область пространственного заряда; 4 -- исток; 5 -- сток; 6 -- диэлектрик; 7 -- полупроводник с проводимостью р-типа; 8 -- полупроводник с проводимостью n-типа; I_c -- ток стока; E_c -- постоянное напряжение источника тока в цепи стока; U₃ -- напряжение затвора; U_oт -- напряжение отсечки; e_c -- напряжение усиливаемого сигнала; Е_з -- напряжение начального смещения рабочей точки; R_н -- сопротивление нагрузки; зачернены области металлических покрытий; стрелками (в канальной области) показано направление движения электронов.

Особенности полевых транзисторов

Среди многочисленных разновидностей полевых транзисторов возможно выделить два основных класса: полевые транзисторы с затвором в виде pn перехода и полевые транзисторы с затвором, изолированным от рабочего полупроводникового объема диэлектриком. Приборы этого класса часто также называют МДП транзисторами (от словосочетания металл - диэлектрик - полупроводник) и МОП транзисторами (от словосочетания металл - окисел - полупроводник), поскольку в качестве диэлектрика чаще всего используется окись кремния.

Основной особенностью полевых транзисторов, по сравнению с биполярными, является их высокое входное сопротивление, которое может достигать 10⁹ - 10¹⁰ Ом. Таким образом, эти приборы можно рассматривать как управляемые потенциалом, что позволяет на их основе создать схемы с чрезвычайно низким потреблением энергии в статическом режиме. Последнее особенно существенно для электронных статических микросхем памяти с большим количеством запоминающих ячеек.

Так же как и биполярные, полевые транзисторы могут работать в ключевом режиме, однако падение напряжения на них во включенном состоянии весьма значительно, поэтому эффективность их работы в мощных схемах меньше, чем у биполярных приборов.

Полевые транзисторы могут иметь как p, так и n каналы, управление которыми осуществляется при разной полярности на затворах. Это свойство комплиментарности расширяет возможности при конструировании схем и широко используется при создании запоминающих ячеек и цифровых схем на основе МДП транзисторов (CMOS схемы).

Полевые транзисторы относятся к приборам униполярного типа, это означает, что принцип их действия основан на дрейфе основных носителей заряда. Последнее обстоятельство значительно упрощает их анализ по сравнению с биполярными приборами, поскольку, в первом приближении, возможно пренебречь диффузионными токами, неосновными носителями заряда и их рекомбинацией.

Полевые транзисторы с управляющим pn переходом

Принцип работы. Вольтамперные характеристики

В полевых транзисторах с управляющим переходом (ПТУП) для изменения проводимости канала используется эффект изменения ширины области пространственного заряда (ОПЗ) обратно смещенного перехода при изменении приложенного к нему напряжения затвора. На рис. 2 показана конструкция n - канального транзистора, в котором для управления используется обратносмещенный p⁺n переход.

Рис.2 Полевой транзистор с управляющим pn переходом. В верхнем правом углу показано графическое обозначение (в n - канальном транзисторе стрелка направлена в другую сторону.)

Транзистор включается таким образом, чтобы pn переход затвора находился под обратным смещением, а полярность напряжения исток - сток выбирается такой, чтобы основные носители заряда под действием электрического поля в канале смещались к стоку. Для n - канального транзистора, показанного на рис. 2, на сток относительно истока должен подаваться положительный потенциал, к которому под действием поля будут дрейфовать электроны. На затвор относительно стока необходимо подавать отрицательный потенциал, чтобы затворный переход находился под обратным смещением.

Поскольку ОПЗ обладает высоким сопротивлением, то при увеличении ширины ОПЗ сечение канала уменьшается и его сопротивление возрастает. Самое низкое сопротивление канала и, соответственно, самый большой ток через него будет при нулевом напряжении на затворе (Uз = 0), затем по мере увеличения ширины ОПЗ при возрастании Uз и, соответственно, уменьшении сечения канала ток будет падать и при некотором напряжении отсечки Uзо канал полностью перекроется и ток через него перестанет возрастать. Соответствующие вольтамперные характеристики ПТУП приведены на рис. 3.

Рис. 3. Вольтамперные характеристики полевого транзистора с управляющим pn переходом.

Выведем уравнение, описывающее ВАХ ПТУП, при этом сделаем ряд допущений, позволяющих значительно упростить расчет. Прежде всего, будем использовать все допущения, которые ранее были сделаны при выводе ВАХ. Кроме того, будем считать, что ток в канале определяется только основными носителями заряда, и будем считать, что при нулевом смещении ширина ОПЗ близка к нулю. Тогда для геометрии, показанной на рис. 77, можно записать:

R_со = сL/S = сL/(ba)

dRx = сdx/(ba), (6_1)

где R_со - сопротивление канала при нулевом напряжении на затворе.

Для ширины канала и ширины ОПЗ справедливо:

(6_2)

где U - разность потенциалов между p⁺ областью затвора и n областью канала в точке x.

Поскольку N+ область затвора легирована значительно сильнее, чем область канала N_a>>N_d, то (6_1) можно упростить:

(6_2а)

При некотором напряжении U₀ канал перекроется, т.е. будет выполняться условие: w(U_о) = a - 2d(U_о) = 0. Откуда:

(6_3)

Для приращения напряжения вдоль канала, используя (6_1), запишем:

(6_4)

Разделим переменные в (6_4) и выполним интегрирование по длине канала, учитывая что U(0) = U_з и U(L)= U_c+U_з:

(6_5)

(6_6)

Уравнение (6_6) представляет семейство характеристик с максимумами и описывает крутую часть вольтамперной характеристики ПТУП. Максимум соответствует точке перекрытия канала. В реальных характеристиках после достижения напряжением стока значения U_o спада тока не происходит, и характеристики идут параллельно оси напряжений, см. рис. 78, т.е. происходит переход от крутой области ВАХ к пологой, в которой ток очень слабо зависит от U_с.

Насыщение тока J_с после перекрытия канала объясняется перераспределением падения напряжения между низкоомной и высокоомной (перекрытой) областями канала. После перекрытия канала практически все напряжение падает в области перекрытия. Дальнейшее увеличение напряжение стока приводит к расширению области перекрытия и, соответственно, увеличению падения напряжения на ней и не сопровождается увеличением тока. В то же время ток не уменьшается, поскольку все электроны, достигшие ОПЗ вблизи стока, переносятся электрическим полем в область стока.

Пологая область ВАХ начинается после экстремальной точки характеристик. Найдем эту точку из условия dJ_c/dU_c = 0. Продифференцируем и приравняем нулю (6_6):

Откуда: U_с = U_о - U_з.

Подставив в (6_6) это значение U_c для экстремальной точки, получим для пологой области ВАХ:

(6_7)

Это выражение достаточно громоздко и поэтому вместо него, без значительной потери точности, используют более простое выражение:

(6_8)

На рис. 4 показаны зависимости тока стока от напряжения затвора (при Uк = 0.7 В, Uo = 5 В и Rс = 1кОм), рассчитанные по (6_7) - нижняя и (6_8)- верхняя кривая.

Рис. 4. Зависимости тока стока от напряжения затвора, рассчитанные по (6_8) - верхняя кривая и (6_7) - нижняя кривая

Если U_з>>U_к и U_o>> U_к (что справедливо в большинстве режимов), то:

(6_9)

Усилительные свойства полевого транзистора принято характеризовать крутизной S:

(6_10)

Как видно из (6_10), с ростом напряжения затвора крутизна для полевого транзистора с управляющим pn переходом падает. Характер соответствующей зависимости крутизны от напряжения на затворе воспроизведен на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость крутизны полевого транзистора с управляющим pn переходом от напряжения затвора (Uo - напряжение отсечки).

Эквивалентная схема

На рис. 6 показана эквивалентная схема полевого транзистора, основным элементом этой схемы, характеризующим усилительные свойства прибора, является зависимый генератор тока SUз. Частотные и импульсные характеристики транзистора определяются емкостями электродов: затвор - сток Cзи, затвор - сток Cзс, сток - исток Cзи. Емкости Cзи и Cзс зависят от площади затвора и степени легирования канала, емкость Cзс - самая маленькая среди рассмотренных.

Сопротивления утечки Rзс, Rзи, Rзс весьма велики и учитываются, как правило, при расчете электрометрических усилительных каскадов постоянного тока. При расчете импульсных каскадов и усилительных каскадов переменного тока их, как правило, не учитывают, поскольку проводимость емкостей обычно всегда больше шунтирующих их проводимостей утечки электродов.

Рис. 6. Эквивалентная схема полевого транзистора с управляющим pn переходом.

Влияние температуры на параметры транзистора с управляющим переходом