Еще в 1930
Лилиенфельд делал попытки управлять проводимостью поверхностного слоя в полупроводниковом
материале. В 1948 Шокли и Пирсон сообщили в печати об управлении токами за
счет поверхностного полевого эффекта. Но лишь в начале 1960-х годов появился
практически пригодный МОП-транзистор (металл – оксид – полупроводник). В отличие
от биполярного кремниевого транзистора, МОП-транзистор является униполярным,
т.е. его действие основано на управлении основными носителями.
Применение
p-n-p-триода в качестве усилителя.
Свойства p-n-пеpехода
можно использовать для создания усилителя электрических колебаний, называемого
полупроводниковым триодом или транзистором.
В полупроводниковом триоде две p-области кристалла разделяются узкой n-областью.
Такой триод условно обозначают p-n-p. Можно делать и n-p-n триод, т.е. разделять
две n-области кристалла узкой p-областью (рис.).
Рис.1.
Триод
p-n-p типа состоит из трех областей, крайние из которых обладают
дырочной проводимостью, а средняя -электронной. К этим трем областям триода
делаются самостоятельные контакты э, б
и к, что позволяет подавать разные напряжения
на левый p-n-пеpеход между контактами э и б и на правый n-p-пеpеход между
контактами б и к.
Если на правый
переход подать обратное напряжение, то он будет заперт и через него будет
протекать очень малый обратный ток. Подадим теперь прямое напряжение на левый
p-n-пеpеход, тогда через него начнёт проходить значительный прямой ток.
Одна из областей триода, например левая, содержит обычно в сотни раз большее
количество примеси p-типа, чем количество n-пpимеси в n-области. Поэтому прямой
ток через p-n-пеpеход будет состоять почти исключительно из дырок, движущихся
слева направо. Попав в n-область триода, дырки, совершающие тепловое движение,
диффундируют по направлению к n-p-переходу, но частично успевают претерпеть
рекомбинацию со свободными электронами n-области. Но если n-область узка и
свободных электронов в ней не слишком много (не ярко выраженный проводник
n-типа), то большинство дырок достигнет второго перехода и, попав в него,
переместится его полем в правую p-область. У хороших триодов поток дырок,
проникающих в правую p-область, составляет 99% и более от потока, проникающего
слева в n-область.
Если при отсутствии
напряжения между точками з и б обратный ток в n-p-переходе очень мал, то после
появления напряжения на зажимах з и б этот ток почти так же велик, как прямой
ток в левом переходе. Таким способом можно управлять силой тока в правом (запертом)
n-p-переходе с помощью левого p-n-перехода. Запирая левый переход, мы прекращаем
ток через правый переход; открывая левый переход, получаем ток в правом переходе.
Изменяя величину прямого напряжения на левом переходе, мы будем изменять тем
самым силу тока в правом переходе. На этом и основано применение p-n-p-триода
в качестве усилителя.
Рис.2.
При работе
триода (рис.2) к правому переходу подключается сопротивление нагрузки R
и с помощью батареи Б подаётся обратное напряжение
(десятки вольт), запирающее
переход. При этом через переход протекает очень малый обратный ток, а всё
напряжение батареи Б прикладывается к n-p-переходу. На нагрузке же напряжение
равно нулю. Если подать теперь на левый переход небольшое прямое напряжение,
то через него начнёт протекать небольшой прямой ток. Почти такой же ток начнёт
протекать и через правый переход, создавая падения напряжения на сопротивлении
нагрузки R. Напряжение на правом n-p-переходе при этом уменьшается,
так как теперь часть напряжения батареи падает на сопротивлении нагрузки.
При увеличении
прямого напряжения на левом переходе увеличивается ток через правый переход
и растёт напряжение на сопротивлении нагрузки R. Когда левый p-n-переход
открыт, ток через правый n-p-переход делается настолько большим, что значительная
часть напряжения батареи Б падает на сопротивлении нагрузки R.
Таким образом, подавая на левый переход прямое напряжение, равное долям вольта,
можно получить большой ток через нагрузку, причём напряжение на ней составит
значительную часть напряжения батареи Б, т.е. десятки вольт. Меняя напряжение,
подводимое к левому переходу, на сотые доли вольта, мы изменяем напряжение
на нагрузке на десятки вольт. таким способом получают усиление по напряжению.
Усиления по
току при данной схеме включения триода не получается, так как ток, идущий
через правый переход, даже немного меньше тока, идущего через левый переход.
Но вследствие усиления по напряжению здесь происходит усиление мощности. В
конечном счете усиление по мощности происходит за счёт энергии источника Б.Действие транзистора
можно сравнить с действием плотины. С помощью постоянного источника (течения
реки) и плотины создан перепад уровней воды. Затрачивая очень небольшую энергию
на вертикальное перемещение затвора, мы можем управлять потоком воды большой
мощности, т.е. управлять энергией мощного постоянного источника.
Переход, включаемый
в проходном направлении (на рисунках - левый), называется эмиттерным, а переход,
включаемый в запирающем направлении (на рисунках - правый) - коллекторным.
Средняя область называется базой, левая - эмиттером, а правая - коллектором.
Толщина базы составляет лишь несколько сотых или тысячных долей миллиметра.
Срок службы
полупроводниковых триодов и их экономичность во много раз больше, чем у электронных
ламп. За счёт чего транзисторы нашли широкое применение в микроэлектронике
- теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре и, конечно же, в компьютерах. Они
заменяют электронные лампы во многих электрических цепях научной, промышленной
и бытовой аппаратуры.
Преимущества
транзисторов по сравнению с электронными лампами - те же, как и у полупроводниковых
диодов - отсутствие накалённого катода, потребляющего значительную мощность
и требующего времени для его разогрева. Кроме того транзисторы сами по себе
во много раз меньше по массе и размерам, чем электрические лампы, и транзисторы
способны работать при более низких напряжениях и более высоких частотах.
Но наряду с положительными качествами, триоды имеют и свои недостатки. Как
и полупроводниковые диоды, транзисторы очень чувствительны к повышению температуры,
электрическим перегрузкам и сильно проникающим излучениям (чтобы сделать транзистор
более долговечным, его помещают в специальные корпуса ).
Основные материалы
из которых изготовляют транзисторы - кремний и германий, перспективные - арсенид
галлия , сульфид цинка и широко зонные проводники .
Существует
2 типа транзисторов: биполярные и полевые.
Рассмотрим устройство и принцип действия полевого транзистора МОП- структуры,
который нашел широкое применение в качестве основного элемента всех современных
интегральных микросхем КМОП структуры.
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ.
В последние
годы большое место в электронике заняли приборы, использующие явления в приповерхностном
слое полупроводника. Основным элементом таких приборов является структура
Металл-Диэллектрик-Полупроводник /МДП/.
В качестве диэлектрической прослойки между металлом и полупроводником часто
используют слой оксида, например диоксид кремния. Такие структуры носят название
МОП-структур. Металлический электрод
обычно наносят на диэлектрик вакуумным распылением. Этот электрод называется
затвором.
Изготовление.
Для
изготовления МОП-транзисторов
используется высокоомный кремний p- или n-типа. В кремнии p-типа методом диффузии
создаются две сильно легированные близлежащие области n-типа. Одна из них,
называемая истоком,
является входной. Другая – сток
– служит выходом. Над узкой промежуточной областью наращивается тонкий изолирующий
слой (толщиной 200 нм и менее) диоксида кремния. На него наносят слой
металла или кремния, который служит управляющим электродом (рис. 3-4-5).
Такое устройство и называется полевым транзистором со структурой металл
– оксид –полупроводник (МОП-транзистором). При подаче на управляющий электрод
положительного напряжения возникает сильное электрическое поле, которое притягивает
электроны к поверхности кремния, и образуется проводящий канал n-типа, соединяющий
исток со стоком. Режим с положительным напряжением называется режимом
обогащения. Можно изготавливать приборы, открытые в
отсутствие внешнего напряжения. Отрицательное напряжение в них сужает канал
и повышает его сопротивление; такой режим называется режимом
обеднения. Изготавливаются также транзисторы с каналом p-типа.
В настоящее время выпускается большое количество ПТ разного типа:
- канал проводимости обогащённого типа;
- канал проводимости обеднённого типа;
- переход PN;
- переход NP;
- P - канал на подложке;
- N - канал на подложке;
- затвор изолированный.
Устройство полевого транзистора.
Структуры
металл-диэлектрик-полупроводник, или сокращенно МДП структуры, широким интересом
к изучению их физических свойств обязаны появлению планарной
технологии и развитию нового класса полупроводниковых приборов,
работающих на основе эффекта поля таких как приборы с зарядовой связью, полевые
транзисторы с изолированным затвором, репрограммируемые элементы памяти с
плавающим затвором и т.п. МДП-структуры позволяют анализировать основные процессы,
протекающие в такого рода приборах, и являются чрезвычайно удобными объектами
исследования. Устройство МДП-структуры следует из ее названия.
МДП-структура
представляет собой монокристаллическую пластину полупроводника, называемую
подложкой, закрытую с планарной стороны диэлектриком. Металлический
электрод, нанесенный на диэлектрик, носит название затвора, а сам диэлектрик
называется под затворным. На обратную непланарную сторону полупроводниковой
пластины наносится металлический электрод, называющийся омическим контактом.
Довольно часто в качестве диэлектрика в МДП структурах используют окислы,
поэтому вместо МДП употребляется название МОП структура.
Полевой
транзистор - это полупроводниковый прибор, усилительные свойства
которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий
канал и управляемый электрическим полем. В отличие от биполярных работа полевых
транзисторов основана на использовании основных носителей заряда в полупроводнике.
В связи с этим их называют униполярными. Униполярными
называют такие транзисторы, работа которых основана на использовании основных
носителей: только дырок или только электронов.
Полевые
транзисторы с затвором в виде p-n перехода в зависимости от канала делятся
на ПТ с каналом p-типа и n-типа.
Канал p-типа обладает дырочной проводимостью, а n-типа - электронной (рис.4).
Итак МДП структура,
приведенная на рисунке, состоит из затвора, подзатворного диэлектрика, полупроводниковой
подложки и омического контакта. Рассмотрим зонную энергетическую диаграмму
МДП структуры при равновесных условиях. Согласно правилу построения зонных
диаграмм необходимо, чтобы в системе при отсутствии приложенного напряжения
а) уровень вакуума был непрерывен;
б) электронное сродство диэлектрика и полупроводника в каждой точке было постоянно;
в) уровень Ферми был одинаков.
Под идеальной
МДП структурой понимают такую систему металл-диэлектрик-полупроводник,
когда:
- отсуствуют поверхностные состояния на границе раздела полупроводник-диэлектрик,
- термодинамическая работа выхода металла затвора и полупроводника подложки
равны между собой,
- отсутствуют заряженные центры в объеме подзатворного диэлектика,
- сопротивление подзатворного диэлектрика бесконечно велико, так что сквозной
ток через него отсутствует при любых напряжениях на затворе.
МДП структуры, близкие к идеальным, получают используя "хлорную"
технологию термического выращивания двуокиси кремния на кремнии, причем для
n-Si в качестве материала затвора используется алюминий, а для p-Si используется
золото.
МДП структуры, в которых нарушается одно из вышеперечисленных требований получили
название реальных МДП структур,
рассмотрение свойств которых далее и приводится.
Hа
рис.3 приведена Схема включения транзистора
в цепь: к истоку подсоединяют плюс, к стоку - минус источника
напряжения, к затвору - минус источника. Для простоты рассмотрения будем считать,
что контактная разность потенциалов, заряд в оксиде и поверхностные состояния
отсутствуют. Тогда свойства поверхностной области, в отсутствие напряжения
на затворе, ничем не отличаются от свойств полупроводников в объеме. Сопротивление
между стоком и истоком очень велико, так как стоковый р-n-переход оказывается
под обратным смещением. Подача на затвор отрицательного смещения сначала приводит
к образованию под затвором обедненной области, а при некотором напряжении
называемом пороговым, - к образованию инверсионной области, соединяющей p-области
истока и стока проводящим каналом. При напряжениях на затворе выше канал становится
шире, а сопротивление сток-исток - меньше. Рассматриваемая структура является,
таким образом, управляемым резистором.
Однако
сопротивление канала определяется только напряжением на затворе лишь при небольших
напряжениях на стоке. С увеличением носители из канала уходят в стоковую область,
обедненный слой у стокового n-p-перехода расширяется и канал сужается.
Зависимость тока от напряжения на стоке становится нелинейной.
При сужении канала число свободных носителей тока под затвором уменьшается
по мере приближения к стоку. Чтобы ток в канале был одним и тем же в любом
его сечении, электрическое поле вдоль канала должно быть, в таком случае,
неоднородным, его напряженность должна расти по мере приближения к стоку.
Кроме того, возникновение градиента концентрации свободных носителей тока
вдоль канала приводит к возникновению диффузионной компоненты плотности
тока.
При
некотором напряжении на стоке канал у стока перекрывается, при еще большем
смещении канал укорачивается к истоку. Перекрытие канала однако не приводит
к исчезновению тока стока, поскольку в обедненном слое, перекрывшем канал,
электрическое поле тянет дырки вдоль поверхности. Когда носители тока из канала
вследствие диффузии попадают в эту область, они подхватываются полем и перебрасываются
к стоку. Таким образом, по мере увеличения напряжения на стоке чисто дрейфовый
механизм движения носителей тока вдоль канала сменяется диффузионно-дрейфовым.
Механизм протекания тока в МДП-транзисторе при сомкнутом канале имеет некоторые
общие черты с протеканием тока в обратно-смещенном n-p-переходе. Напомним,
что в n-p-переходе неосновные носители тока попадают в область пространственного
заряда перехода вследствие диффузии и затем подхватываются его полем.
Как показывают теория и эксперимент, после перекрытия канала ток стока практически
насыщается. Значение тока насыщения зависит от напряжения на затворе чем выше,
тем шире канал и тем больше ток насыщения. Это типично транзисторный эффект
- напряжением на затворе (во входной цепи) можно управлять током стока (током
в выходной цепи). Характерной особенностью МДП-транзисторов является то, что
его входом служит конденсатор, образованный металлическим затвором, изолированным
от полупроводника.
На
границе раздела полупроводник - диэлектрик в запрещенной зоне полупроводника
существуют энергетические состояния, называемые поверхностными или, точнее,
состояниями граници раздела. Волновые функции электронов в этих состояниях
локализованы вблизи поверхности раздела в областях порядка постоянной решетки.
Причина возникновения рассматриваемых состояний состоит в неидеальности граници
раздела полупроводник - диэллектрик (оксид). На реальных границах раздела
всегда имеется некоторое количество оборванных связей и нарушается стехиометрия
состава оксидной пленки диэллектрика. Плотность и характер состояний граници
раздела существенно зависят от технологии создания диэллектрической пленки.
Наличие поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэллектрик
отрицательно сказывается на параметрах МДП-транзистора, так как часть заряда,
наведенного под затвором в полупроводнике, захватывается на эти состояния.
Успех в создании полевых транзисторов рассматриваемого типа был достигнут
после отработки технологии создания пленки на поверхности кремния с малой
плотностью состояний границы раздела.
В
самом оксиде кремния всегда существует положительный "встроенный"
заряд, природа которого до сих пор до конца не выяснена. Значение этого заряда
зависит от технологии изготовления оксида и часто оказывается настолько большим,
что если в качестве подложки используется кремний р-типа проводимости, то
у его поверхности образуется инверсионный слой уже при нулевом смещении на
затворе. Такие транзисторы называются транзисторами со встроенным
каналом . Канал в них сохраняется даже при подаче на затвор
некоторого отрицательного смещения. В отличие от них в транзисторах, изготовленных
на n-подложке, в которой для образования инверсионного слоя требуется слишком
большой заряд оксида, канал возникает только при подаче на затвор напряжения,
превышающего некоторое пороговое напряжение. По знаку это смещение на затворе
должно быть отрицательным для транзисторов с n-подложкой и положительным в
случае p-подложки.
Входное
сопротивление полевых транзисторов на низких частотах является чисто емкостным.
Входная емкость образуется затвором и не перекрытой частью канала со стороны
истока. Так как для заряда этой емкости ток должен протекать через не перекрытую
часть канала с сопротивлением, то собственная постоянная времени транзистора
равна. Это время, однако, очень мало, и в интегральных схемах, применяемых,
например, в цифровой вычислительной технике, длительность переходных процессов
определяется не им, а паразитными емкостями схемы и входными емкостями других
транзисторов, подключенных к выходу данного. Вследствие этого при изготовлении
таких схем стремятся сделать входную емкость как можно меньшей за счет уменьшения
длинны канала и строгого совмещения границ затвора с границами стока и истока.
При
больших напряжениях на стоке МДП-транзистора область объемного заряда от стоковой
области может распространиться настолько сильно, что канал вообще исчезнет.
Тогда к стоку устремятся носители из сильно легированной истоковой области,
точно так же как при "проколе" базы биполярного транзистора.
По конструктивному
исполнению и технологии изготовления полевые транзисторы можно разделить на
две группы: полевые транзисторы с управляющим р- п - переходом и полевые транзисторы
с изолированным затвором
Полевой
транзистор с управляющим р-п- переходом - это полевой транзистор,
затвор которого отделен в электрическом отношении от канала р-п - переходом,
смещенным в обратном направлении. Электрод , из которого в канал входят носители
заряда, называют истоком; электрод, через который из канала уходят
носители заряда, - стоком; электрод, служащий для регулирования поперечного
сечения канала, - затвором. При подключении к истоку отрицательного
(для п-канала), а к стоку положительного напряжения (рис.
4 ) в канале возникает электрический ток, создаваемый движением электронов
от истока к стоку, т.е. основными носителями заряда. Движение носителей заряда
вдоль электронно-дырочного перехода (а не через переходы, как в биполярном
транзисторе) является второй характерной особенностью полевого транзистора.
Электрическое
поле, создаваемое между затвором и каналом, изменяет плотность носителей заряда
в канале, т.е. величину протекающего тока. Так как управление происходит через
обратно смещенный р-п-переход, сопротивление между управляющим электродом
и каналом велико, а потребляемая мощность от источника сигнала в цепи затвора
ничтожно мала. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных
колебаний как по мощности, так и по току и напряжению.
  |
|
|
а
б |
Рис.4. Структура полевого транзистора с изолированным затвором: а - с индуцированным каналом ; б - со встроенным каналом.
Полевой
транзистор с изолированным затвором - это полевой транзистор,
затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.
Полевой транзистор с изолированным затвором состоит из пластины полупроводника
(подложки) с относительно высоким удельным сопротивлением, в которой созданы
две области с противоположным типом электропроводности (рис. 4). На
эти области нанесены металлические электроды - исток и сток.
Поверхность полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем диэлектрика
(обычно слоем оксида кремния). На слой диэлектрика нанесен металлический электрод
- затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и
полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто
называют МДП- транзисторами или МОП- транзисторами (металл - оксид- полупроводник).
Существуют
две разновидности МДП-транзисторов с индуцированным
и со встроенным каналами,
о них мы уже говорили выше.
В МДП-транзисторах
с индуцированным каналом проводящий канал между сильнолегированными
областями истока и стока и, следовательно, заметный ток стока появляются только
при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе
относительно истока (отрицательного при р-канале и положительного при п-канале).
Это напряжение называют пороговым
(UЗИ.пор ). Так как появление и рост проводимости индуцированного канала
связаны с обогащением его основными носителями заряда, то считают, что канал
работает в режиме обогащения.
В МДП - транзисторах
со встроенным каналом проводящий канал, изготавливается технологическим
путем, образуется при напряжении на затворе равном нулю. Током стока можно
управлять, изменяя значение и полярность напряжения между затвором и истоком.
При некотором положительном напряжении затвор - исток транзистора с р - каналом
или отрицательном напряжении транзистора с n -каналом ток в цепи стока прекращается.
Это напряжение называют напряжением отсечки
(UЗИ.отс ). МДП - транзистор со встроенным каналом может работать как
в режиме обогащения, так и в режиме
обеднения
канала основными носителями заряда.
Рис. 5.
Управление током осуществляется
посредством затворов. Такие транзисторы, изготовленные
МОП-методом (слева) или методом
диффузии (справа). Полевые МОП-транзисторы
с электронами в качестве носителей называются n-МОП-транзисторами (а
те, в которых носителями служат дырки, называются p-МОП-транзисторами).
В n-МОП-транзисторованный от полупроводника тонким слоем диоксида кремния.
В транзисторе, работающем в режиме обогащения, положительный потенциал, под
которым находится сток, оказывает притягивающее действие на е имеются две
области n-типа, сформированные в подложке из кремния p-типа. Затвор – это
электрод, изолирующий электроны источника. Но они не могут проходить через
кремний p-типа с высокой концентрацией дырок. Когда же на затворе создается
положительный заряд, возникающее при этом электрическое поле притягивает электроны
к поверхности и здесь в тонком слое образуется проводящий канал, по которому
ток проходит от истока. В n-МОП-транзисторе, работающем в режиме обеднения,
между истоком и стоком имеется непрерывный проводящий канал из кремния n-типа,
так что в нормальном состоянии транзистор пропускает ток. При подаче же на
затвор отрицательного напряжения ток прекращается, так как электроны выталкиваются
из канала. В полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом электроны
текут от истока к стоку. Ток электронов модулируется изменением напряжений
на затворе и стоке. Поскольку МОП-транзисторы не требуют изолирующих островков,
они допускают более высокую плотность «упаковки» на микросхеме, чем биполярные
транзисторы. а – полевой n-МОП-транзистор; б – ПТ с управляющим
p-n-переходом.
В процессе
работы МОП-транзистора с n-каналом электроны, являющиеся основными носителями,
выходя из истока, входят в канал и втягиваются в сток, который при этом приобретает
положительное смещение относительно истока. Ток электронов модулируется напряжением
на затворе. Как только потенциал стока, нарастая, сравняется с разностью потенциалов
затвора и истока, ширина канала уменьшается до нуля и происходит так называемая
отсечка. При дальнейшем повышении
выходного напряжения на стоке ток остается почти постоянным.
Поскольку
ток от затвора через диэлектрик практически отсутствует, входной импеданс
полевого МОП-транзистора необычайно велик. Поэтому на затворе может длительное
время сохраняться заряд, что позволяет создавать простые и изящные полупроводниковые
запоминающие устройства. Благодаря этой интересной особенности
полевых МОП-транзисторов и их малым размерам они приобрели важное значение
в электронной промышленности.
ПТ
с управляющим p-n-переходом. В таком полевом транзисторе контакты
подводятся к полоскам в «кармане» высокоомного полупроводника n-типа. Наружная
полоска является истоком; средняя полоска – сток – положительна
относительно источника, так что от истока к стоку текут основные носители
(электроны). Области затвора (p-типа) расположены в верхнем и нижнем слоях
и соединены между собой диффузионно (рис. 2).
В рабочем
режиме на p-n-переход подается напряжение обратного смещения, так что в область
n-типа распространяется зона обеднения. Изменяя обратное смещение на затворе,
можно управлять шириной канала между затворами и модулировать ток.
При достаточно большом напряжении происходит отсечка. Изменяя сочетания
напряжений на затворе и стоке, можно сделать так, чтобы насыщение тока достигалось
на любом постоянном уровне тока вплоть до нуля.
ПТ с управляющим
p-n-переходом отличается очень высоким входным импедансом и очень низким уровнем
шума. Поэтому он хорошо подходит для входного каскада тюнеров-усилителей.
Условно-графические
обозначения
|
Тип
полевого транзистора
|
Обозначение
|
|
Со
встроенным каналом n-типа |
 |
| Со встроенным
каналом p-типа |
 |
|
|
 |
| С изолированным
затвором обогащенного типа с n-каналом (индуцированным) |
 |
| С изолированным
затвором обедненного типа с p-каналом (встроенным) |
 |
| С изолированным
затвором обедненного типа с n-каналом (встроенным) |
 |
Рис. 6. Схемы включения полевого транзистора.
Полевой
транзистор в качестве элемента схемы представляет собой активный
несимметричный четырехполюсник, у которого один из зажимов
является общим для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой из электродов
полевого транзистора подключен к общему выводу, различают схемы: с
общим истоком и входом затвор;
с общим стоком и входом на затвор; с
общим затвором и входом на исток. Схемы включения полевого
транзистора показаны на рис. 6.
По
аналогии с ламповой электроникой, где за типовую принята схема с общим катодом,
для полевых транзисторов типовой является схема с общим истоком.
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.
Начальный
ток стока IС.нач - ток стока при напряжении между затвором и истоком,
равном нулю и напряжении на стоке, равном или превышающим напряжение насыщения.
Остаточный ток стока IС.ост - ток стока при напряжении между затвором
и истоком, превышающем напряжение отсечки. Ток утечки затвора IЗ.ут
- ток затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами,
замкнутыми между собой. Обратный ток перехода затвор - сток IЗСО
- ток, протекающий в цепи затвор - сток при заданном обратном напряжении между
затвором и стоком и разомкнутыми остальными выводами. Обратный ток перехода
затвор - исток IЗИО - ток, протекающий в цепи затвор - исток при
заданном обратном напряжении между затвором и истоком и разомкнутыми остальными
выводами.
Напряжение
отсечки полевого транзистора UЗИ.отс - напряжение между затвором
и истоком транзистора с р -п переходом или изолированным затвором, работающего
в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.
Пороговое напряжение полевого транзистора UЗИ.пор - напряжение
между затвором и истоком транзистора с изолированным затвором, работающего
в режиме обогащения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.
Крутизна характеристик
полевого транзистора S - отношение изменения тока стока к изменению
напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе
транзистора в схеме с общим истоком.
Входная
емкость полевого транзистора С11и - емкость между затвором и истоком
при коротком замыкании по переменному току на выходе в схеме с общим истоком.
Выходная емкость полевого транзистора С22и - емкость между стоком
и истоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим
истоком. Проходная емкость полевого транзистора C12и - емкость
между затвором и стоком при коротком замыкании по переменному току на входе
в схеме с общим истоком. Емкость затвор -сток СЗСО - емкость
между затвором и стоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах.
Емкость затвор - исток СЗИО емкость между затвором и истоком
при разомкнутых по переменному току остальных выводах.
Коэффициент усиления по мощности Кур - отношение мощности на
выходе полевого транзистора к мощности на входе при определенной частоте и
схеме включения.
Эквивалентная
схема и быстродействие МДП транзистора
 |
 |
|
 |
геометрическая ёмкость затвора | |
 |
граничное условие | |
В полевых транзисторах граничная частота определяется верменем пролета
электрона через канал. =100 ГГц
Собственное быстродействие полевых транзисторов лежит далеко в СВЧ диапазоне.
В реальных применениях, когда один полевой транзистор соединен с другими,
указанного быстродействия достичь не удается.
Малый коэффициент усиления - один из главных недостатков. МДП транзисторов
по сравнению с биполярными.
Переходные и частотные характеристики МДП транзисторов обусловлены перезарядкой
межэлектродных емкостей через внешние резисторы, а также перезарядкой емкости
затвор - канал через сопротивление канала. Последний процесс накладывает принципиальиое
ограничение на быстродействие транзистора.
Частотные
свойства.
Частотные
свойства полевых транзисторов определяются постоянной времени RC - цепи затвора.
Поскольку входная емкость С11и у транзисторов с р-п переходом 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.
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.
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.
Рис. 7. Сток - затворные характеристики полевого транзистора при разных
температурах.
На рис. 7. приведены стокозатворные характеристики при различных температурах окружающейсреды и указано положение термостабильной точки. 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 рис. 8.
рис. 8. Зависимость тока утечки затвора полевого транзистора от температуры.
В
полевом транзисторе с изолированным затвором ток затвора практически не зависит
от температуры.
Максимально
допустимые параметры.
Максимально
допустимые параметры
определяют
значения конкретных режимов полевых транзисторов, которые не должны превышаться
при любых условиях эксплуатации и при которых обеспечивается заданная надежность.
К максимально допустимым параметрам относятся: максимально допустимое напряжение
затвор - исток UЗИmax , затвор - сток UЗСmax , сток - исток
UСИmax , максимально допустимое напряжение сток - подложка UСПmax
, исток - подложка UИПmax , затвор - подложка UЗПmax . Максимально
допустимый постоянный ток стока IСmax, максимально допустимый прямой
ток затвора IЗ(пр)max , максимально допустимая постоянная рассеиваемая
мощность Рmax .
Вольт
- амперные характеристики полевых транзисторов.
режим
обеднения режим
обогощения
а б
Рис. 9. Вольт - амперные характеристики полевого транзистора со встроеным
каналом n- типа: а - стоковые; б - стоко - затворные.
Вольт - амперные
характеристики полевых транзисторов устанавливают зависимость тока стока
IC от одного из напряжений UСИ или UЗИ при фиксированной
величине второго.
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 рис.
9 , а стоко - затворная характеристика пересекает ось ординат в точке
со значением тока IC.НАЧ.
Особенностью
МДП - транзистора с индуцированным каналом п - типа является возможность
работы без постоянного напряжения смещения ( UЗИ = 0) в режиме как
обеднения, так и обогащения канала основными носителями заряда. МДП - транзистор
с встроенным каналом имеет вольт-амперные характеристики , аналогичные изображенным
на рис. 9 .
У МДП - транзисторов
всех типов потенциал подложки относительно истока оказывает заметное влияние
на вольт -амперные характеристики и соответственно параметры транзистора.
Благодаря воздействию на проводимость канала подложка может выполнять функцию
затвора. Напряжение на подложке относительно истока должно иметь такую полярность,
чтобы р-п переход исток - подложка включался в обратном направлении. При этом
р-п переход канал - подложка действует как затвор полевого транзистора с управляющим
р-п переходом.
Эффект
влияния подложки.
-
Напряжение канал-подложка есть не что иное как напряжение, поданное на обратно
включенный p-n переход.
Напряжение на затворе VGS=const. При приложении напряжения канал-подложка
происходит расширение ОПЗ и увеличение заряда ионизованных акцепторов.
Таким образом, изменяя напряжение на подложке мы изменяем пороговое напряжение,
а следовательно можем использовать подложку а качестве второго управляющего
электрода.
Рис:
А -
Переходные характеристики МДП-транзистора при нулевом напряжении смещения
канал-подложка и при напряжении не равном нулю.
Б- Влияние напряжения смещения канал-подложка VSS на проходные характеристики
транзистора в области плавного канала .
аб
Анимация,
представленная на рисунке, выполнена в оболочке LabView.