Физические основы работы полевых транзисторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮТЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ФГБОУ ВПО «ВГТУ»)

Факультет радиотехники и электроники

Кафедра радиотехники

Курсовая работа

по дисциплине: «Физические основы микро- и наноэлектроники»

по теме: «Физические основы работы полевых транзисторов»

Выполнил студент группы РК-131 Голдобин В.В.

Руководитель Бадаев А. С.

Воронеж

2015

Содержание

Введение

1. Классификация полевых транзисторов

2. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

3. Параметры полевого транзистора

3.1 Частотные свойства

3.2 Шумовые свойства

3.3 Тепловые параметры

3.4 Вольт-амперные характеристики

4. Режим работы полевого транзистора

4.1 Ключевой режим работы

5. Схемы включения полевых транзисторов

6. Области применения полевых транзисторов

Заключение

Список литературы

Введение

Изобретение транзистора стало событием большой социальной значимости. Именно благодаря бурному развитию транзисторных полупроводниковых технологий человечество в конце ХХ века вступило в эпоху информатики.

Полевые транзисторы классифицируют на приборы с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором, так называемые МДП («металл-диэлектрик-полупроводник»)-транзисторы, которые также называют МОП («металл-оксид-полупроводник»)-транзисторами, причём последние подразделяют на транзисторы со встроенным каналом и приборы с индуцированным каналом.

За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу, полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения.

1. Классификация полевых транзисторов

Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал и управляемый электрическим полем.

Выходной ток полевого транзистора обусловлен носителями заряда одной полярности: электронами или дырками, поэтому такие транзисторы называют униполярными. С учетом направления протекания тока при включении полевого транзистора, выходные электроды называются истоком и стоком, управляющий электрод называется затвором.

Полевые транзисторы классифицируются по следующим признакам:

- технологическая структура (транзисторы с p-n-переходом, МДП-транзисторы, тонкопленочные транзисторы, транзисторы с барьером Шоттки)

- тип проводимости канала (p и n)

- тип используемого полупроводникового материала (кремний, германий, арсенид галлия)

- электрические свойства (высоковольтные, высокочастотные, мощные)

- класс применения (усилительные, детекторные и т.п.)

2. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

полевой транзистор частотный амперный

Первый полевой транзистор с управляющим переходом теоретически был рассчитан Уильямом Шокли в 1952 году. Одна из разновидностей таких транзисторов- унитрон- представляет собой полупроводниковую пластину дырочного или электронного типов проводимостей. На её торцы наносят токопроводящие пленки, к которым подключают выводы стока и истока, а широкие грани легируют для получения противоположного типа проводимости относительно проводимости пластины и подсоединяют к этим граням вывод затвора. Другая разновидность полевых транзисторов с управляющим переходом-текнетрон- может быть образован, например, стержнем из германия, к торцам которого подсоединяют выводы истока и стока, а вокруг стержня внесением индия выполняют кольцеобразный затвор.

Рисунок 1 - Упрощенная конструкция полевого транзистора с управляющим переходом.

Принцип действия полевых транзисторов с управляющим переходом заключён в изменении площади сечения канала под воздействием поля, возникающего при подаче напряжения между затвором и истоком.

Пока между затвором и истоком не подано напряжение управления, под воздействием внутреннего поля электронно-дырочных переходов они заперты, сечение канала наиболее велико, его сопротивление низко, и ток стока транзистора максимален. Напряжение затвор-исток, при котором ток стока наиболее велик, называют напряжением насыщения.

Если между затвором и истоком приложить небольшое напряжение, ещё немного закрывающее p-n переходы, то зоны, к которым подсоединён затвор, будут обеднены носителями заряда, размеры этих зон объёмного заряда возрастут, частично перекрывая сечение канала, сопротивление канала возрастёт, и сила тока стока станет меньше. Обеднённые носителями заряда области почти не проводит электрический ток, причём эти области неравномерны по длине пластины полупроводника. Так, у торца пластинки, к которому подключен вывод стока, обеднённые носителями заряда области будут наиболее существенно перекрывать канал, а у противоположного торца, к которому подсоединён вывод истока, снижение площади сечения канала будет наименьшим.

Если приложить ещё большее напряжение между затвором и истоком, то области, обеднённые носителями заряда, станут столь велики, что сечение канала может быть ими полностью перекрыто. При этом сопротивление канала будет наибольшим, а ток стока будет практически отсутствовать. Напряжение затвор-исток, соответствующее такому случаю, именуют напряжением отсечки.

К важнейшим характеристикам полевых транзисторов относят стокозатворную характеристику и семейство стоковых характеристик. Стокозатворная характеристика отражает зависимость силы тока стока от приложенного к выводам затвор-исток напряжения при фиксированном напряжении сток-исток. Это показано на рисунке 2.

Рисунок 2-Стокозатворная характеристика.

По достижении определённого значительного напряжения сток-исток развивается лавинный пробой области между затвором и стоком. При этом идёт резкое увеличение тока стока, что можно видеть на стоковой характеристике.

Функционирование полевых транзисторов с управляющим переходом возможно сугубо путём обеднения канала носителями заряда. В связи с тем, что напряжение сигнала прикладывают к закрытому переходу, входное сопротивление каскада велико и для рассмотренных выше приборов может достигать 109 Ом.

3. Параметры полевого транзистора

Входная проводимость определяется проводимостью участка затвор - исток уЗИ. = у11 + у12 ; выходная проводимость - проводимость участка сток - исток уСИ = у22 + у21 ; функции передачи - крутизной вольт-амперной характеристики S = у21 - у12 ; функция обратной передачи - проходной проводимостью уЗС= у12 . Эти параметры применяются за первичные параметры полевого транзистора, используемого в качестве четырехполюсника. Если первичные параметры четырехполюсника для схем с общим истоком определены, то можно рассчитать параметры для любой другой схемы включения полевого транзистора.

3.1 Частотные свойства

Частотные свойства полевых транзисторов определяются постоянной времени RC - цепи затвора. Поскольку входная емкость С11и у транзисторов с р-ппереходом велика (десятки пикофарад), их применение в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением возможно в диапазоне частот, ре превышающих сотен килогерц - единиц мегагерц.

При работе в переключающих схемах скорость переключения полностью определяется постоянной времени RC - цепи затвора. У полевых транзисторов с изолированным затвором входная емкость значительно меньше, поэтому их частотные свойства намного лучше, чем у полевых транзисторов с р-п - переходом.

Граничная частота определяется по формуле fгр.=159/С11и , где fгр = частота, МГц; S - крутизна характеристики транзистора, мА/В; С11и - емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току выходной цепи, пФ.

3.2 Шумовые свойства

Шумовые свойства полевых транзисторов оцениваются коэффициентом шума КШ , который мало зависит от напряжения сток - исток, тока стока и окружающей температуры (ниже 50 0 С) и монотонно возрастает с уменьшением частоты и внутреннего сопротивления источника сигнала. Коэффициент шума измеряют в заданном режиме по постоянному току UСИ, IC на определенной частоте. Вместо коэффициента шума иногда указывают шумовое напряжение полевого транзистора Uш - эквивалентное шумовое напряжение, приведенное ко входу, в полосе частот при определенном полном сопротивлении генератора в схеме с общим истоком; шумовой ток Iш - эквивалентный шумовой ток , приведенный ко входу, при разомкнутом входе в полосе частот в схеме с общим истоком.

3.3 Тепловые параметры

Тепловые параметры полевого транзистора характеризуют его устойчивость при работе в диапазоне температур. При изменении температуры свойства полупроводниковых материалов изменяются. Это приводит к изменению параметров полевого транзистора, в первую очередь , тока стока, крутизны и тока утечки затвора. Зависимость изменения тока стока от температуры определяется двумя факторами: контактной разностью потенциалов р-п перехода и изменением подвижности основных носителей заряда в канале. При повышении температуры контактная разность потенциалов уменьшается, сопротивление канала падает, а ток увеличивается. Но повышение температуры приводит к уменьшению подвижности носителей заряда в канале и тока стока. При определенных условиях действие этих факторов взаимнокомпенсируется и ток полевого транзистора перестает зависеть от температуры. На рисунке 3 приведены стокозатворные характеристики при различных температурах окружающей среды и указано положение термостабильной точки.

Рисунок 3-затворные характеристики полевого транзистора

Зависимость крутизны характеристики от температуры у полевых транзисторов такая же как и у тока стока. С ростом температуры ток утечки затвора увеличивается. Хотя абсолютное изменение тока незначительно , его надо учитывать при больших сопротивлениях в цепи затвора. В этом случае изменение тока утечки затвора может вызвать существенное изменение напряжения на затворе полевого транзистора и режима его работы. Температурная зависимость тока утечки затвора полевого транзистора с р-п переходом приведена на рисунке 4.

Рисунок 4-зависимость тока от температуры

3.4 Вольт-амперные характеристики

Вольт - амперные характеристики полевых транзисторов устанавливают зависимость тока стока IC от одного из напряжений UСИ или UЗИ при фиксированной величине второго.

Рисунок 5- Вольт-амперные характеристики полевого транзистора

В МДП - транзисторе с индуцированным каналом с подложкой р-типа при UЗИ = 0 канал п-типа может находиться в проводящем состоянии. При некотором пороговом напряжении UЗИ.ПОР < 0 за счет обеднения канала основными носителями проводимость его значительно уменьшается. Статические стоковые характеристики в этом случае будут иметь вид , изображенный на рисунке 5 , а стоко - затворная характеристика пересекает ось ординат в точке со значением тока IC.НАЧ.

Формулы расчёта в зависимости от напряжения UЗИ

Транзистор закрыт

Пороговое значение напряжения МДП транзистора

Параболический участок.

-удельная крутизна транзистора.

Дальнейшее увеличение U3u приводит к переходу на пологий уровень.

-- Уравнение Ховстайна.

Особенностью МДП - транзистора с индуцированным каналом п - типа является возможность работы без постоянного напряжения смещения ( U ЗИ = 0) в режиме как обеднения, так и обогащения канала основными носителями заряда. МДП - транзистор с встроенным каналом имеет вольт-амперные характеристики, аналогичные изображенным на рисунке 5.

4. Режимы работы полевых транзисторов

Динамическим режимом работы называют такой режим, в котором к транзистору, который усиливает входной сигнал, подключена нагрузка. Такой нагрузкой может служить резистор Rс, подсоединённый последовательно со стоком полевого транзистора, включённого по схеме с общим истоком, что показано на рисунке 6.

Рисунок 6 - Полевой транзистор, включенный в схему.

Постоянное напряжение питания каскада Uп составляет сумму падений напряжений на выводах сток-исток транзистора и на резисторе Rс, то есть Uп = URс + Uси.р. В тоже время, согласно закону Ома, падение напряжения на нагрузочном резисторе Rс равно произведению протекающего по нему тока Iс.р на его сопротивление: URс = Iс.р * Rс. Согласно сказанному, напряжение питания каскада составляет: Uп = Uси.р + Iс.р * Rс. Последнее выражение можно переписать относительно напряжения сток-исток транзистора, и в этом случае получим линейную формулу для выходной цепи Uси.р = Uп - Iс.р * Rс, которую именуют уравнением динамического режима.

На выходных статических характеристиках транзистора для получения представления о режимах работы каскада строят динамическую характеристику, имеющую форму линии. Рассмотрим рисунок 7, на котором изображена такая динамическая характеристика усилительного каскада.

Рисунок 7 - динамическая характеристика усилительного каскада.

Чтобы провести эту линию, которую ещё называют нагрузочной прямой, необходимо знать две координаты точек, соответствующих напряжению питания каскада и току стока в режиме насыщения. Эта нагрузочная прямая пересекает семейство выходных статических характеристик, а точка пересечения, которую называют рабочей, соответствует определённому напряжению затвор-исток. Зная положение рабочей точки, можно вычислить некоторые ранее не известные токи и напряжения в конкретном устройстве.

4.1 Ключевой режим работы транзистора

Ключевым называют такой режим работы транзистора, при котором он может быть либо полностью открыт, либо полностью закрыт, а промежуточное состояние, при котором компонент частично открыт, в идеале отсутствует. Мощность, которая выделяется в транзисторе, в статическом режиме равна произведению тока, протекающего через выводы сток-исток, и напряжения, приложенного между этими выводами.

В идеальном случае, когда транзистор открыт, т.е. в режиме насыщения, его сопротивление межу выводами сток-исток стремится к нулю. Мощность потерь в открытом состоянии представляет произведение равного нулю напряжения на определённую величину тока. Таким образом, рассеиваемая мощность равна нулю.

В идеале, когда транзистор закрыт, т.е. в режиме отсечки, его сопротивление между выводами сток-исток стремится к бесконечности. Мощность потерь в закрытом состоянии есть произведение определённой величины напряжения на равное нулю значение тока. Следовательно, мощность потерь равна нулю.

5. Схемы включения полевых транзисторов

Распространены три схемы включения полевых транзисторов. Первая схема- с общим истоком. Вторая - с общим стоком. Третья - с общим затвором. Самой распространенной является схема с общим истоком. Она очень похожа на схему биполярного транзистора с общим эмиттером. Очень большое усиление мощности и тока достигается каскадом с общим истоком.

Рисунок 8 - Схема включения транзистора с общим истоком

Схема с общим стоком также сравнима с одной из схем биполярных транзисторов, а именно - с общей базой. Усиления тока она не дает, а потому не трудно предположить, что в ней и усиление мощности намного меньше, чем в схеме с общим истоком.

Рисунок 9 - Схема включения транзистора с общим затвором

Последняя схема - с общим затвором - имеет достаточно ограниченное применение на практике. Связано это в первую очередь с тем, что каскад общего затвора имеет крайне низкое сопротивление на входе.

Рисунок 10 - Схема включения транзистора с общим

6. Области применения полевых транзисторов

За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах,-- наручные кварцевые часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет, потому что практически не потребляют энергии.

Грандиозными темпами развиваются области применения мощных полевых транзисторов. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет получить повышенную чистоту спектра излучаемых радиосигналов, уменьшить уровень помех и повысить надежность радиопередатчиков.

Заключение

Развитие полупроводниковых приборов происходит весьма быстрыми темпами. Разрабатываются приборы для работы в области высоких частот, мощностей и температур при минимизации их размеров. Особое внимание уделяется повышению надежности, стабильности и долговечности работы транзисторов в различных режимах и условиях эксплуатации. Наиболее важным направлением развития электроники является миниатюризация приборов. Это связано с тем, бурным развитием микроэлектроники и вычислительной техники с цифровой обработкой различной информации. В данной курсовой работе были рассмотрены физические процессы и принципы работы различных типов полевых транзисторов, приведена их классификация. Данная курсовая работа может быть использована в учебном процессе при изучении основ и применения полевых транзисторов.

Список литературы

1. Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 488с.

2. http://www.phys.sfedu.ru/~kobrin/sem/SHFdevch9.html Полевой транзистор с барьером Шоттки

3. Бочаров Л.Н. Полевые транзисторы - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1984. - 80с.

4. Игнатов А.Н. Полевые транзисторы и их применение - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь,1984. - 216с., с ил.

Размещено на Allbest.ru