Полевые транзисторы

Размещено на http://www.allbest.ru

Лекция 3

Полевые транзисторы

В названии этого класса полупроводниковых приборов отражен факт управления потоком основных носителей заряда, двигающихся в полупроводнике p- или n-типа (канале), посредством электрического поля. Различают полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом и полевые транзисторы с изолированным каналом. Первые часто называют просто полевые транзисторы, а вторые - МДП-транзисторы, в названии которых отражена их структура (М - металл; Д - диэлектрик; П - полупроводник).

Принцип действия полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом (полевых транзисторов) можно рассмотреть на примере структуры, показанной на рис. 1.15,а. Область полупроводника, имеющая два вывода, называется каналом, а область с повышенной концентрацией примеси, как и соответствующий вывод, называется затвором. Эти области имеют разный тип проводимости (на рис. 1.15,а изображена структура с каналом n-типа). Один из выводов канала называется истоком (соответствующая область канала является источником подвижных носителей заряда), а другой вывод - стоком (через этот вывод носители заряда вытекают из канала). Между затвором и каналом расположена обедненная подвижными носителями заряда область (p-n-переход), в основном сосредоточенная в канале, как более высокоомном, по сравнению с затвором, слое (в канале концентрация примеси гораздо меньше). Внешние источники напряжения должны подключаться к транзистору в такой полярности, чтобы p-n-переход всегда был смещен в обратном направлении, т.е. закрыт (на рис. 1.15,а обедненная область показана для случая, когда внешние напряжения равны нулю).

Если напряжение между затвором и истоком задать равным нулю, а напряжение между стоком и истоком - больше нуля, то в канале потечет ток основных носителей заряда (в данном случае - электронов), причем с увеличением будет увеличиваться и ток стока . Но если при малых значениях ток растет пропорционально напряжению , то с увеличением эта зависимость становится нелинейной (рис. 1.15,г), что объясняется увеличением сопротивления канала. Это происходит потому, что напряжение приложено не только между стоком и истоком, но и между стоком и затвором (через источник ), причем в полярности, смещающей p-n-пере-ход в обратном направлении, в результате чего p-n-переход (а значит, и обедненная область) расширяется (в сторону канала), а канал сужается. Приращение обедненной области по длине канала будет неравномерным - оно будет наибольшим в районе стока и близким к нулю в районе истока, поскольку падение напряжения на разных участках канала под действием протекающего тока будет разным (отсчитанное от истока падение напряжения, которое прикладывается к p-n-переходу, максимально на стоке и равно нулю на истоке). При достаточно больших напряжениях ток стока может резко увеличиться, что связано с электрическим пробоем p-n-перехода.

Если при постоянном напряжении увеличивать обратное напряжение , то обедненная область p-n-перехода будет расширяться в сторону канала равномерно, что приведет к увеличению сопротивления канала и уменьшению тока стока (см. сток-затворные вольт-амперные характеристики на рис. 1.15,д). При некотором достаточно большом напряжении (напряжении отсечки ) ток стока прекращается, поэтому стоковая характеристика (рис. 1.15,г) при пройдет по оси напряжений . Поскольку во входной цепи (цепи затвор-исток) ток практически отсутствует (большое сопротивление закрытого p-n-перехода), это позволяет управлять значительными токами выходной цепи (цепи сток-исток), по существу не затрачивая энергии входного сигнала, в чем и проявляются усилительные свойства полевого транзистора. Условные графические обозначения полевых транзисторов с каналом n- и p-типа показаны на рис. 1.15,б и в.

Полевые транзисторы с изолированным каналом (МДП-транзисторы) подразделяются на транзисторы со встроенным и индуцированным каналом. Структура МДП-транзистора со встроенным каналом представляет собой подложку из полупроводника p- или n-типа, в которую встраивается канал в виде полупроводника другого типа проводимости (на рис. 1.16,а канал n-типа). Полупроводниковый канал отделен от металлического затвора (З) тонким слоем диэлектрика, в качестве которого (в случае кремниевой подложки) чаще всего используется двуокись (окисел) кремния (отсюда еще одно название МДП-транзисторов - МОП-транзисторы). К каналу через области с повышенной концентрацией примеси (на рис. 1.16,а области ) подсоединяются металлические выводы, называемые, как и соответствующие области канала, стоком (С) и истоком (И). Полупроводниковая подложка (чаще всего кремний), изолированная от внешней среды диэлектриком (), также имеет металлический вывод (П), который обычно соединяется с истоком для того, чтобы p-n-переход между каналом и подложкой был закрыт. Это обеспечивает изоляцию канала от подложки при нормальной полярности напряжения (рис. 1.16,а).

У МДП-транзисторов со встроенным каналом нелинейность стоковых характеристик (рис. 1.16,г) объясняется тем, что при увеличении напряжения , подсоединенного одним своим зажимом к стоку, а другим к затвору (через источник ), подвижные носители заряда вытесняются из области канала, расположенной под затвором, в области с повышенной концентрацией примеси ( на рис. 1.16,а), что приводит к увеличению сопротивления канала. Происходящее при этом обеднение канала подвижными носителями заряда, как и в случае транзистора с управляющим p-n-переходом, будет по длине канала неравномерным (наибольшим у стока). Повышение по модулю напряжения между затвором и истоком , при указанной на рис. 1.16,а полярности, также приводит к обеднению канала, но только равномерному по длине канала (без учета областей ), поэтому стоковые характеристики при пройдут ниже относительно характеристики, снятой при (рис. 1.16,г).

МДП-транзисторы со встроенным каналом могут работать и в режиме обогащения при другой (по сравнению с показанной на рис. 1.16,а) полярности напряжения . В этом режиме основные носители заряда (в данном случае электроны) под действием поля затвора будут втягиваться в канал из областей ( в случае подложки n-типа), тем самым обогащая канал подвижными носителями заряда (которых в канале при сравнительно немного), поэтому стоковые характеристики в режиме обогащения расположатся выше характеристики, снятой при . Сток-затворные вольт-амперные характеристики (рис. 1.16,д) могут быть построены по данным стоковых характеристик (рис. 1.16,г), для чего необходимо при выбранных значениях провести прямые, параллельные оси токов, и отметить точки пересечения указанных прямых со стоковыми характеристиками. Поскольку у МДП-транзисторов канал от затвора изолирован диэлектриком, входное сопротивление (сопротивление участка затвор-исток) таких транзисторов очень велико. У МДП-транзисторов с каналом p-типа (условное графическое обозначение показано на рис. 1.16,в) полярности напряжений и противоположны тем, что присущи транзисторам с каналом n-типа, но стоковые характеристики транзисторов с p-каналом, как и транзисторов с n-каналом, принято изображать в первом квадранте.

Отличительной особенностью МДП-транзисторов с индуцированным каналом является отсутствие встроенного канала (рис. 1.17,а), поэтому у них стоковый ток равен нулю не только при нулевом или отрицательном (в случае p-подложки) напряжении на затворе, но и при небольших положительных напряжениях, поскольку на пути между стоком и истоком находятся два встречно-включенных p-n-перехода. Только при напряжении , превышающем пороговое напряжение , в той части подложки, которая расположена непосредственно под затвором, наводится (индуцируется) канал, который образуется из втянутых полем затвора неосновных носителей заряда (одновременно из указанной области подложки полем затвора вытесняются основные носители заряда). Чтобы облегчить образование канала и улучшить его управляемость, подложку МДП-транзистора делают из полупроводника с низкой концентрацией примеси. При увеличении напряжения канал обогащается подвижными носителями заряда, и ток стока увеличивается (рис. 1.17,д). Механизм действия напряжения , обусловливающий форму стоковых характеристик МДП-транзисторов с индуцированным каналом (рис. 1.17,г), примерно такой же, как и у транзисторов со встроенным каналом. Условное графическое обозначение МДП-транзисторов с индуцированным n-каналом показано на рис. 1.17,б, а с p-каналом - на рис. 1.17,в. МДП-транзисторы с индуцированным каналом применяются гораздо шире по сравнению с транзисторами со встроенным каналом, что вызвано, в первую очередь, отсутствием у них тока стока при нулевом напряжении на затворе.

Стоковые характеристики, приведенные на рис. 1.15,г - 1.17,г, сняты при напряжениях , меньших напряжения электрического пробоя, и при таких токах стока, когда мощность, рассеиваемая транзистором в виде тепла, меньше допустимой мощности, выше которой возможен тепловой пробой.

Существует разновидность МДП-транзисторов с индуцированным каналом - МНОП-транзисторы, у которых между пленкой двуокиси кремния (О) и металлическим затвором (М) помещен слой еще одного диэлектрика - нитрида кремния (Н). Характерной особенностью таких транзисторов является то, что у них путем подачи на затвор импульса напряжения определенной полярности можно установить низкий или высокий уровень порогового напряжения (например, 3 или 15 вольт). Это связано с тем, что под действием импульсного напряжения определенной амплитуды на границе между нитридом кремния и двуокисью кремния происходит накопление зарядов, которые могут сохраняться в течение нескольких лет.

Относительно малых приращений напряжений, вызванных действием источника входного сигнала, транзистор можно рассматривать как линейный элемент электрической цепи и представлять в виде малосигнальной эквивалентной схемы. Эквивалентные схемы подразделяются на два класса: схемы замещения и моделирующие схемы. Схема замещения составляется на основе уравнений эквивалентного четырехполюсника, а моделирующая схема - путем моделирования физических процессов в транзисторе.

В моделирующей эквивалентной схеме полевого транзистора, приведенной на рис. 1.18, не показаны сопротивления между затвором и каналом, что оправданно, поскольку их значения очень большие: 106…109 Ом у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом и 1012…1014 Ом у МДП-транзисторов. Все элементы моделирующей схемы - дифференциальные, т.е. определенные для приращений токов и напряжений, обозначенных в схеме строчными буквами. Источник тока, действующий в выходной цепи, управляется входным напряжением , причем эффективность управления отображается параметром “крутизна”, показывающим насколько изменится ток стока при изменении напряжения и постоянном напряжении :

.

Типовые значения крутизны полевых транзисторов - 1…25 мА/В. Внутреннее сопротивление

полевой транзистор канал конденсатор

на начальных линейных участках стоковых характеристик (при малых напряжениях ) моделирует сопротивление материала канала, а на пологих участках - еще и процесс обеднения канала под действием (в этом режиме у различных типов транзисторов ). Внутреннее сопротивление и крутизну s в рабочей точке (т.е. при заданных значениях , и ) можно вычислить, определив соответствующие приращения на графиках стоковых и сток-затворных ВАХ. Емкости и моделируют барьерную емкость закрытого p-n-перехода между затвором и каналом (у транзисторов с управляющим p-n-переходом) или емкость плоского конденсатора, образованного металлическим затвором и полупроводниковым каналом (у МДП-транзисторов); у маломощных транзисторов Емкость полевых транзисторов, включая и транзисторы с управляющим p-n-переходом, является барьерной емкостью закрытого p-n-перехода между стоком и подложкой; она обычно меньше емкостей и .

Размещено на Allbest.ru