9946

Полевые транзисторы с управляющим электронно-дырочным переходом и переходом металл-полупроводник. Транзисторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник.

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Полевые транзисторы с управляющим электронно-дырочным переходом и переходом металл-полупроводник. Транзисторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник. Занятие 1. Полевые транзисторы (ПТ) с управляющим электронно- дырочным переходом и переходом...

Русский

2013-03-19

275.31 KB

42 чел.

Полевые транзисторы с управляющим электронно-дырочным переходом и переходом металл-полупроводник. Транзисторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник.

Занятие 1. Полевые транзисторы (ПТ) с управляющим электронно-

дырочным переходом и переходом металл-полупроводник

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить схему включения, принцип действия, статические характеристики, параметры, электрическую модель и частотные свойства полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом.

2. Прививать умение логического изложения учебного материала.

3. Развивать инженерное мышление, формировать научное мировоззрение.

Время: 2 часа.

План лекции

п/п

Учебные вопросы

Время

мин

1.

2.

3.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Схема включения, принцип действия, электрическая модель, частотные свойства транзистора.

2. Статические характеристики, параметры транзистора.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

5

80

40

40

5

Материальное обеспечение:

1. Схема приемника УКВ радиостанции.

2. Набор полевых транзисторов.

3. Комплект диапозитивов по теме N5.

4. Плакат "УПТ с управляющим р-n-переходом".

5. ПЭВМ.

Литература:

1. К.С. Петров "Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника", с.284-295.

2. В.А.Батушев "ЭЭ ВТС", стр.213-219, 234.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

Полевые транзисторы находят все более широкое применение в электронной аппаратуре, в том числе и военной технике связи, благодаря ряду специфических особенностей.

В 1952 году впервые было дано теоретическое описание активного полупроводникового прибора нового типа, названного униполярным (полевым) транзистором.

В настоящее время создано большое многообразие полевых транзисторов, отличающихся характеристиками, параметрами, конструктивным оформлением, позволяющие значительно улучшить свойства радиотехнических устройств, созданных на их основе. Достижения в области микроэлектроники повысили значимость транзисторов и в особенности транзисторов с изолированным затвором (ИС на основе МДП или КМОП-структуре, ПЗУ и т.д.). Вместе с тем интегральная микроэлектроника не снижает роли дискретных полупроводниковых приборов при создании современной РЭА. Знание устройства, принципа действия, основных характеристик, параметров, возможностей, преимущества и недостатков необходимо для правильного понимания работы радиотехнических устройств и ИС.

Полевой (униполярный) транзистор - это полупроводниковый прибор, у которого для управления током используется зависимость электрического сопротивления токопроводящего слоя от напряженности поперечного электрического поля.

Название "униполярный" обозначает, что в транзисторе используются лишь основные (одного знака) носители заряда, а "полевой" - способ управления с помощью электрического поля (напряжения). Все многообразие полевых транзисторов по физическим эффектам, лежащим в основе управления носителями заряда, можно разделить на два класса:

- с управляющим р-n-переходом и каналом "р" или "n" типа;

- МДП (МОП) - транзисторы с индуцированным или встроенным каналом "р" или "n" типа (обогащенного и обедненного типа).

Отметим основные особенности полевых транзисторов, выгодно отличающие их от биполярных.

1. Практически полное отсутствие тока во входной цепи затвора, что наряду с большим входным сопротивлением устраняет нелинейные искажения управляющего напряжения на затворе за счет протекания входного тока через внутреннее сопротивление источника сигнала.

2. Квадратичность проходной характеристики, обусловливающая низкий уровень нелинейных искажений при использовании транзисторов в схемах преобразователей частоты.

3. Большое разнообразие проходных характеристик, расширяющее функциональные возможности транзисторов.

4. Наличие термостабильной точки, позволяющее исключить специальные меры температурной стабильности режима.

5. Способность работы в условиях сверхнизких температур.

6. Возможность управлять транзистором по двум цепям. В качестве второй цепи управления может использоваться цепь подложка-исток либо второй затвор двухзатворных транзисторов, так называемых МДП-тетродов.

Эти и другие особенности полевых транзисторов обусловили их широкое использование в аппаратуре военной связи. Их применение позволило, в частности, осуществить полную транзисторизацию радиоприемных устройств, исключив электронные лампы во входных высокочастотных каскадах.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Схема включения, принцип действия, электрическая модель,

частотные свойства транзистора

Полевыми транзисторами называют полупроводниковые приборы, у которых для управления током используется зависимость электрического сопротивления токопроводящего слоя от напряженности поперечного электрического поля.

Простейший полевой транзистор с управляющим р-n-переходом представляет собой тонкую пластинку полупроводникового материала (обычно кремния) с одним р-n-переходом в центральной части и с омическими контактами по краям.

Пластинка кремния  n- или р-типа выполняет функции канала, т.е. токопроводящей области. При этом ток в канале создается лишь основными носителями заряда, что и определило термин "униполярный". Сопротивление канала регулируется электрическим полем, за счет изменения его поперечного сечения с помощью напряжения, приложенного к закрытому р-n-переходу (рис.1). Транзистор имеет три электрода: исток, сток и затвор.

Uси

Uзи

p+

n

И

З

С

Рис. 1

Истоком называют электрод, через который в канал втекают носители заряда, а стоком - электрод, через который они из канала вытекают.

Исток и сток соединены каналом - областью полупроводника, в который

поток носителей заряда регулируется изменением её поперечного сечения.

У полевого транзистора с каналом n-типа на сток подается положительный потенциал, относительно истока и ток в транзисторе протекает от стока к истоку; с каналом р-типа на сток подается отрицательный потенциал относительно истока и ток протекает от истока к стоку. В дальнейшем анализ проведем для транзистора с каналом п-типа.

Электрод, используемый для управления величиной эффективного сечения канала, называется затвором. Напряжение затвора как и напряжение стока, отсчитывается относительно истока.

Для эффективного управления сечением канала управляющий р-n-переход делают резко несимметричным, так чтобы запирающий слой в основном располагался в толще полупроводниковой пластинки, образующей канал. С этой целью концентрация примесей в затворе значительно превышает концентрацию примесей в канале. Толщина канала W обычно равна 1-3мкм, длина "l" - равна 3-10мкм, ширина - в тысячи раз больше длины. Изменяя приложенное к затвору управляющее напряжение, которое смещает р-n-переход в обратном направлении можно изменять толщину перехода, а соответственно и сечение канала и тем самым регулировать протекающий через канал ток.

где: h - первоначальная толщина канала;

у - толщина канала.

Можно подобрать такое отрицательное напряжение на затворе U0, при котором произойдет полное перекрытие канала и ток канала Iк окажется равным нулю.

В силу того, что управление сечением канала (и соответственно током стока) производится обратно включенным р-n-переходом, сопротивление участка затвор-исток оказывается очень большим. (Оно соответствует сопротивлению полупроводникового диода, включенного в обратном направлении, что выгодно отличает данный прибор от биполярного транзистора). Управление толщиной канала осуществляется напряжением на затворе относительно истока или в конечном итоге электрическим полем, возникающим

в запирающем слое. Отсюда и произошло название полевой транзистор.

В рабочем режиме, когда Uс0 по каналу протекает ток Iс, поэтому потенциалы его различных поперечных сечений оказываются  неодинаковыми

и обратное напряжение на р-n-переходе возрастает в направлении к стоку. Это вызывает соответствующее увеличение толщины запирающего слоя и соответственно сужение сечения канала. Наибольшим сечение канала будет возле истока, где Up-n = Uзи и наименьшим - возле стока, где обратное напряжение р-n-перехода равно Up-n =Uз + Uс    (Uз<0).

Увеличение напряжения на стоке приводит к увеличению тока и увеличению разности потенциалов между каналом и затвором, что в свою очередь увеличивает толщину слоя р-n-перехода. Сумма напряжений Uз+Uс может достичь U0, а это означает, что в сечении возле стока произойдет перекрытие канала.

Ток в канале, однако, не прекращается, так как все электроны переносятся через появившуюся за счет перекрытия обедненную область ускоряющим электрическим полем. Ток стока, создающий падение напряжения вдоль канала, не может запереть сам себя (при Iс=0 ликвидируется причина, вызывающая перекрытие канала).

В результате происходит не отсечка тока, а его ограничение Iсconst, т.е.  ток канала становится практически независимым от Uс. Такой процесс называется насыщением, а напряжение, при котором он возникает - напряжение насыщения Uсн.

При работе транзистора в режиме насыщения Uс>Uсн участок перекрытия канала расширяется и весь избыток напряжения Uс-Uсн падает на этом участке, а  на  проводящем участке канала напряжение остается постоянным, равным Uсн. Запирающее напряжение, приложенное к затвору, увеличивает толщину р-n-перехода, уменьшая сечение канала. Поэтому при совместных действиях напряжений затвора и стока перекрытие канала (насыщение тока стока) наступает при различных напряжениях на стоке: чем больше запирающее напряжение, тем меньше напряжение на стоке, соответствующее перекрытию канала.

При чрезмерно большом увеличении напряжения стока наступает пробой р-n-перехода и ток в цепи сток-затвор лавинообразно нарастает. Пробой возникает в области стока, где разность потенциалов на переходе максимальна.

Наряду с управляющим переходом в полевых транзисторах используется и переход Шоттки - металл - полупроводник . Эти транзисторы изготовляются, как правило, на основе арсенида галлия. Материал затвора выбран таким, чтобы по отношению к каналу создавался выпрямляющий контакт Шоттки. Поскольку зависимость толщины обедненного слоя от напряжения смещения для диода Шоттки совпадает с аналогичной зависимостью для резкого p-n-перехода, то принцип действия прибора аналогичен. Применение металлического затвора позволило уменьшить длину канала до 0,5...1мкм, а, следовательно, время движения зарядов от истока к стоку. Кроме того, подвижность электронов у арсенида галлия в 2-8 раз выше, чем у кремния. Эти два фактора позволили резко повысить рабочие частоты данного транзистора до 50-80 ГГц.

При усилении сигналов высокой частоты у полевых транзисторов наблюдается уменьшение выходной мощности, входного и выходного сопротивлений, коэффициента усиления по напряжению, появляются возможности самовозбуждения и т.д.

Частотные свойства полевых транзисторов обусловлены главным образом влиянием распределенных сопротивлений и емкостей.

Схема замещения полевого транзистора на ВЧ при включении с общим истоком учитывает также внутреннее сопротивление и источник тока, отражающий усилительные свойства транзистора (рис2). Схема замещения значительно упрощает анализ частотных свойств полевых транзисторов и расчет электронных устройств на них.

З

И

С

S(ώ) Uзи

Ri

Cси

Сси

Ссз

Рис. 2

Таким образом полевой транзистор с управляющим р-n-переходом представляет собой полупроводниковый прибор в котором можно управлять величиной тока в выходной цепи (цепи стока) изменением напряжения во входной цепи (цепи затвора).

2. Статические характеристики, параметры транзистора

Важнейшими характеристиками  полевого транзистора являются выход-

ные (стоковые) и проходные (стоко-затворные, передаточные).

Рассмотрим более подробно эти характеристики.

а) Выходной (стоковой) характеристикой называется зависимость тока стока от напряжения на стоке при постоянном напряжении затвора

Iс = f(Uс)Uз= const     (рис.3а)

При Uз≥ U0;  Iс=Iсо, т.е. характеристика закрытого транзистора подобна обратной ветви ВАХ ППД.  Значение тока Iсо единицы мкА и поэтому она сливается  с осью абцисс.  Резкое возрастание тока Iс при Uс>Uс доп объясняется электрическим  пробоем  стокового   участка   управляющего р-n-перехода.

Uз=0

Uc

Ic

Uз=-1В

Uз=-2В

Uз

а)

Ic

б)

Рис. 3

При Uз=0 и увеличении напряжения стока Uс ток стока Iс увеличивается прямо  пропорционально увеличению напряжения (участок АБ). С возрастанием тока стока Iс увеличивается падение напряжения вдоль канала, а это приводит к неравномерному расширению р-n-перехода - больше возле стока, уменьшается толщина канала и увеличивается сопротивление канала. Это увеличивает  сопротивление между истоком и стоком и замедляет увеличение  тока. Поэтому зависимость тока стока от напряжения стока оказывается нелинейной: ток нарастает медленнее, чем это следует из закона Ома (участок БВ).  Когда напряжение стока достигает величины напряжения насыщения канал в области стока перекрывается и дальнейший рост тока стока прекращается. Это соответствует горизонтальному участку выходной характеристики,  называемому участком насыщения. Незначительное увеличение тока стока в режиме насыщения при повышении напряжения стока объясняется  некоторым  уменьшением длины неперекрытой части канала при расширении перекрытого  участка.

При чрезмерно  большом увеличении напряжения стока наступает пробой р-n-перехода и ток в  цепи  сток-затвор лавинообразно  нарастает. Пробой возникает в области стока, где разность потенциалов на переходе максимальна.

Если на  затвор подано обратное напряжение,  то перекрытие канала наступает при меньшем напряжении стока, при этом оказывается меньшим и максимальный ток  стока,  выходная  характеристика располагается ниже, чем при Uз=0. При еще большем обратном напряжении затвора выходная характеристика идет еще  ниже и т.д.  Пробивное напряжение стока при этом тоже уменьшается на величину Uз.

б) Проходной  (стокозатворной, передаточной) характеристикой называется зависимость тока стока от напряжения на затворе при  постоянном напряжении на стоке Iс=f(Uз)Uс-const (рис.3б).

Ток имеет максимальную величину при  напряжении  затвора,  равном нулю, когда толщина канала максимальна.

При подаче обратного напряжения на затвор р-n-переход  расширяется, толщина  канала  уменьшается,  его  сопротивление возрастает и ток становится  меньше.  Когда   напряжение  затвора  достигает  величины напряжения  отсечки,  канал  полностью перекрывается и ток стока падает до минимального значения, определяемого концентрацией неосновных носителей заряда. Эта составляющая тока стока является неуправляемой, её величина при нормальной температуре составляет  единицы  наноампер,  а при повышенной - единицы микроампер.

Реальные проходные характеристики близки к квадратичным, поэтому их обычно описывают аппроксимирующим аналитическим выражением вида:

Для транзистора с каналом р-типа характеристики будут симметричны рассмотренным относительно оси ординат,  т.к. полярность питающих напряжений Uз и  Uс при этом изменится на обратную.

Полевой транзистор является усилительным устройством - элементом, управляемым напряжением.  Количественно его свойства описывает система дифференциальных параметров:  крутизна, выходная проводимость и статический коэффициент усиления.

Крутизна    

Крутизна характеризует управляющее действие затвора. Численно она равна величине  изменения  тока стока при изменении напряжения затвора на 1В. Для получения большой крутизны необходимо иметь короткий, широкий канал.

Так как проходная характеристика близка к квадратичной,  крутизна зависит от напряжения затвора и максимальна при Iс=Iсн, т.е. при Uз=0. Типичные значения крутизны:  S < 10мА/В, но созданы транзисторы с крутизной ≤0.5А/В.

Выходная проводимость

Выходная проводимость  характеризует  влияние напряжения стока на ток стока,  численно она равна величине изменения тока стока при изменении напряжения стока на 1В.

Величина обратная  выходной  проводимости  называется  внутренним сопротивлением. Внутреннее  сопротивление транзистора в режиме насыщения (при условном перекрытии канала) очень велико.

Типичное значение внутреннего сопротивления Ri составляет десятки кОм, единицы МОм.

Статический коэффициент усиления  

Этот параметр  позволяет  сравнить воздействие напряжений стока и затвора на ток стока. Типичные значения μ составляют от 20 до 1000.

Дифференциальные параметры можно определить аналитическим, графическим и экспериментальным методами.

На практике используется  схема питания ПТ с управляющим р-n-переходом от одного источника (рис.4). Элементы схемы рассчитываются следующим образом:

Ec

Rc

Rз

Rи

Рис. 4

           Rз=0,2 - 0,5МОм

где: Rс - сопротивление нагрузки в цепи стока;

Rи - сопротивление в цепи истока;

Rз - сопротивление в цепи затвора;

Iс max - максимальный ток стока при данном источнике питания и данных сопротивлениях Rc и Rи;

Iсп- ток стока покоя;

Uзп- напряжение затвора покоя.

Таким образом, ПТ с управляющим р-n-переходом характеризуются двумя семействами  характеристик  и  тремя дифференциальными параметрами, позволяющими сравнивать их друг с другом.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

У используемых на практике транзисторов канал с обеих сторон ограничен р-n-переходами,  или  используется  кольцевой р-затвор,  который формируется методом вплавления примеси в канавку на боковой поверхности  цилиндрической заготовки полупроводника n-типа. Канал при этом как бы "обжимается" расширяющейся обедненной областью кольцевого  затвора. Транзисторы с управляющим р-n-переходом применяются на частотах до десятков мегагерц. Их основной недостаток - значительная величина емкостей.

Для  усиления более высокочастотных сигналов используются транзисторы с  переходом металл-полупроводник.

Задание на самостоятельную подготовку

1. Изучить материал по учебнику [Л1] страницы 284-286.

  Старший преподаватель кафедры N9

  доцент  п/п  Г.Подлеский

  Рецензент:

  доцент

    п/п  Б.Степанов

Занятие2. Транзисторы со структурой металл-диэлектрик-

полупроводник (МДП)

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить схему включения,  принцип действия, статические характеристики,  параметры, режимы работы и импульсные свойства МДП транзисторов.

2. Прививать  методические  навыки логического изложения учебного материала.

3. Развивать  инженерное мышление.

Время: 2 часа.

План лекции

п/п

Учебные вопросы

Время

мин

1.

2.

3.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

  1.  Схема включения, принцип действия, статические характеристики, параметры МДП-транзисторов.
  2.  Режимы работы, импульсные свойства полевых транзисторов.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

5

80

40

40

5

Материальное обеспечение:

1. Схема приемника УКВ радиостанции.

2. Набор полевых транзисторов.

3. Комплект диапозитивов по теме N5.

4. Плакат "МДП-транзисторы".

5. ПЭВМ.

Литература:

1. К.С. Петров "Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника", с.295-305.

2. В.А.Батушев "ЭЭ ВТС", стр.201-213, 228-233.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

На предыдущей лекции были рассмотрены полупроводниковые  приборы, в которых  затвор изолирован от подложки обратно смещенным р-n-переходом. Приборы этого типа были освоены в 50-е годы.

В 1962  году были разработаны полевые транзисторы,  у которых металлический затвор изолирован пленкой высокоомного диэлектрика, а роль канала играет тонкий слой с противоположным типом электропроводимости, находящийся на поверхности  полупроводника. Подобные  приборы  называют транзисторами с изолированным затвором, а также МДП- или МОП-транзисторами. Эти обозначения характеризуют структуру  затвора:  металл-диэлектрик-полупроводник или,  конкретизируя вид диэлектрика: металл-окисел-полупроводник.

На лекции  будут изучены:  устройство, особенности физических процессов, характеристики и параметры двух разновидностей  МДП-транзисторов: с  индуцированным и встроенным каналами,  а также режимы работы и импульсные свойства полевых транзисторов.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

  1.  Схема включения, принцип действия, статические

характеристики,  параметры МДП транзисторов

а) МДП-транзистор с индуцированным каналом (обогащенного типа).

В отличие  от  полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом в транзисторах с изолированным затвором электрод затвора  изолирован  от полупроводниковой области  канала слоем диэлектрика и, как уже указывалось, имеет две конструктивные разновидности: с индуцированным каналом и с встроенным каналом.

Рассмотрим устройство и принцип работы полевого транзистора с индуцированным каналом п-типа.

Основу транзистора составляет пластинка слабо легированного кремния р-типа, которую называют подложкой (рис.1).

В теле  подложки создаются две сильно легированные области с противоположным относительно нее типом проводимости.  Одна из этих областей используется как исток, другая как сток.

Электрод затвора изолирован от полупроводниковой  области  тонким слоем диэлектрика (SiO2) толщиной 0.1-0.2мкм.

Исток, сток и подложка имеют омические контакты с соответствующими полупроводниковыми областями и снабжаются выводами.

Подложку обычно соединяют с истоком. Из-за контактных явлений, возникающих на границах раздела диэлектрика с полупроводником, в подложке индуцируется заряд основных носителей (р-типа), образующих обогащенный поверхностный слой.

При отсутствии напряжения на затворе сопротивление между  истоком и стоком,  определяемое двумя включенными навстречу друг другу р-п переходами, оказывается очень высоком.  Таким образом, в исходном состоянии между стоком и истоком токопроводящий канал отсутствует, а в рабочем режиме транзистора он индуцируется соответствующим  напряжением  на затворе и существует в виде поверхностного слоя п-типа, соединяя исток и сток.

При увеличении  положительного напряжения на затворе относительно истока и подложки (UЗ>0) обогащенный поверхностный слой ликвидируется и вместо него возникает слой,  обедненный основными носителями, однако это

еще не приводит к образованию токопроводящего канала между  истоком  и стоком.

При достижении на затворе некоторого положительного напряжения  в обедненном поверхностном слое подложки возникает инверсия проводимости и намечается формирование токопроводящего канала и появление тока стока (при (UС 0). Напряжение, при котором происходит это явление, называется пороговым,  по аналогии  с  полевым  транзистором  с  управляющим р-п-переходом его можно трактовать как напряжение отсечки:  U0. Типичные значения U0 составляют 2 - 4В.

При дальнейшем увеличении положительного напряжения на затворе, в подложке индуцируется инверсионный слой,  обладающий  п-проводимостью, который соединяет  п-области стока и истока, являясь токопроводящим каналом между ними. При этом большему положительному напряжению затвора соответствует большая  удельная проводимость и большая толщина индуцированного канала, что вызывает увеличение проводимости канала в целом. Так как возникновение и увеличение инверсионной проводимости индуцированного канала п-типа связано с его обогащением (электронами),  то говорят, что это транзисторы обогащенного типа.

Если на затвор относительно истока и подложки подать  отрицательное напряжение, то это приведет к еще большему (относительно исходного состояния) обогащению дырками и обеднению  электронами  поверхностного слоя, и токопроводящий канал между истоком и стоком не возникает.

Проводимость индуцированного канала определяется зарядом в инверсионном слое,  который начинает индуцироваться положительным напряжением на затворе, превышающим пороговое  значение, т.е. Uз – U0 >0

В рабочем режиме,  когда Uс > 0, по каналу течет ток Iс (обусловленный движением  электронов  от  истока к стоку),  поэтому напряжение затвора относительно различных поперечных сечений оказывается неодинаковым, и изменяется от Uз возле истока до Uз – Uс возле стока. Следовательно, и  толщина  индуцированного  канала  оказывается  различной: больше возле истока, меньше возле стока (рис.1).

Общая проводимость канала соответственно уменьшается. При Uс=Uз-U0 напряжение на  затворе  становится равным пороговому значению U0,  что приведет к исчезновению инверсионной проводимости и условному перекрытию канала около стока.  Но это не вызывает разрыва электрической цепи на участке исток-сток, а только приводит к насыщению тока. Напряжение, при котором возникает обедненная область канала возле стока, называется напряжением насыщения.

Uсн = Uз – U0

Дальнейшее увеличение положительного напряжения стока приводит  к увеличению обедненной  области  канала,  на которой выделяется все излишнее (добавочное) напряжение, а напряжение Uсн по-прежнему распределяется на индуцированном канале, геометрия которого, а следовательно, и ток почти не меняется.

В режиме насыщения происходит лишь незначительное укорочение длины индуцированного канала,  что при Uсн = const и значительных изменениях Uс >Uсн приводит лишь к незначительным изменениям тока канала.

При относительно  большом напряжении Uс возникает электрический пробой р-п-перехода сток-подложка, и ток стока резко возрастает (Uс>Uс доп).

б) Устройство и принцип работы МДП-транзистора со встроенным

каналом.

У транзистора этого типа,  канал соединяющий исток со стоком либо изготавливается технологическим путем,  либо он возникает  из-за  контактных явлений на границе полупроводника с диэлектриком.  Так, например, если в качестве подложки использовать кремний п-проводимости,  то сильно легированные п-области истока и стока будут соединены между собой естественным каналом в виде тонкого индуцированного слоя с  электронным типом проводимости, который возникает на месте контакта кремния р-типа с пленкой SiO2.

Встроенный канал,  который создается технологическим путем, представляет собой тонкий слаболегированный полупроводниковый слой, объединяющий сток с истоком.

В таком канале путь для тока стока открыт при нулевом  напряжении затвора: Uз= 0.  Отрицательное напряжение, приложенное к затвору относительно истока и, соответственно, подложки, будет притягивать из подложки дырки  и  отталкивать из приповерхностного слоя электроны,  т.е. будет вызывать обеднение канала основными носителями и уменьшение  его общей проводимости, и при некотором пороговом напряжении Uз<0, слой с инверсным по отношению к подложке типом проводимости исчезает,  происходит отсечка канала.  Говорят, что транзистор имеет канал обедненного типа. При положительном напряжении затвора  канал  будет  обогащаться основными носителями  заряда  (электронами),  и его общая проводимость будет увеличиваться.

Более стабильными характеристиками обладают транзисторы,  у которых встроенный канал образован диффузией примеси, формирующей под затвором тонкую  область  с противоположным по отношению к подложке типом проводимости. Таким способом могут быть изготовлены МДП-транзисторы  с встроенным п и р-каналами.

Все остальные процессы в канале не  отличаются  от  рассмотренных ранее процессов,  протекающих  в индуцированном канале п-типа.  Если в исходном состоянии канал открыт, то увеличение положительного напряжения стока вызовет увеличение тока стока и распределенного вдоль канала положительного напряжения Uс>0.  При Uсн = Uз – U0 происходит условное перекрытие канала, т.е. наступает насыщение.

Разновидностью МДП-транзисторов является 2-х  затворный  транзистор. В  этих  приборах  канал разделен на две части высоколегированной областью, называемой соединительной.  Управляющим является первый затвор, металлизация которого располагается над каналом,  соединяющим исток и соединительную область.

Второй затвор располагается над каналом, соединяющим соединительную область и сток.  Он называется экранным и, действуя как электростатический экран, уменьшает значение проходной емкости прибора. А это повышает коэффициент устойчивого усиления  на  высоких  частотах.  Такие транзисторы можно использовать также  в преобразователях частоты.

МДП-транзисторы характеризуются выходными и передаточными (проходными) характеристиками.

Выходные характеристики Iс =  f(Uс)Uз=const  МДП-транзисторов  с индуцированным каналом  (рис.2а)  и  со встроенным каналом (рис.3а) по форме примерно аналогичны характеристикам  транзистора  с  управляющим р-п-переходом.

При Uз<U0 ток стока отсутствует независимо от величины напряжения на стоке,  так как канала нет, а исток и сток разделены двумя встречно включенными ЭДП.

При Uз>U0 в транзисторе существует индуцированный п-канал. С увеличением Uс появляется ток стока, нарастающий сначала по линейному закону. Дальнейшее увеличение Uс ведет к заметному сужению канала у стока, увеличению его сопротивления и,  как следствие,  замедлению скорости нарастания тока  стока.  При  Uсн=Uз-U0 происходит перекрытие канала и насыщение тока стока.  В этом режиме ток стока увеличивается  незначительно. Выходная характеристика, снятая при большем напряжении затвора, отличается более быстрым нарастанием тока в начальной области  характеристик, так как канал имеет большую начальную толщину и в большей степени обогащен электронами.  Переход в  режим  насыщения  происходит при больших  напряжениях на стоке,  следовательно, и ток стока в режиме насыщения будет больше.

Выходные характеристики транзисторов с встроенным каналом отличаются диапазоном напряжений на затворе.

Uз'

Ic

Uз

Ic

Uз

Ic

Uc

Uз'''

Uз''

Uз'''>Uз''>Uз'

Ic

Uc

p

n

p

n

а)

Uз>0

Uз=0

Uз<0

а)

б)

б)

Рис. 2

Рис. 3

Проходные характеристики  Iс =  f(Uз)Uс=const  МДП-транзисторов описываются квадратичной зависимостью, аналогично характеристикам транзистора с управляющим р-п-переходом: Iс = в(Uз – U0)2, где в-коэффициент, определяемый параметрами транзистора.

Однако расположение характеристик относительно оси  тока  Iс  существенно отличается друг от друга. На рис.2б построена для режима насыщения Uс≥ Uсн проходная характеристика МДП-транзистора с индуцированным каналом  п-типа и показана аналогичная характеристика для транзистора с каналом р-типа.

Характеристики симметричны  относительно  оси тока Iс. При Uз<U0 ток стока практически отсутствует.  При Uз│›│U0 ток стока растет по квадратичному закону.

Особенностью транзисторов с индуцированным каналом  является  то, что управление  по  цепи затвора осуществляется однополярным сигналом, соответствующим полярности источника питания стоковой цепи – Uс.

Типичные значения  напряжения  отсечки (называемого также пороговым) U0 = 0.5 - 5В; U0 max достигает 10В. На рис.3б  построена для режима насыщения Uс=Uсн проходная характеристика МДП-транзистора со встроенным  каналом  п-типа,  и  показана аналогичная характеристика для транзистора  с каналом р-типа. Особенностью характеристик является наличие начального тока стока Iс нач при Uз=0.

Управление по цепи затвора осуществляется как положительным так и отрицательным напряжением. Типичные значения напряжения отсечки U0=2-6В.

Качество транзистора  с  изолированным затвором как усилительного элемента характеризует прежде всего его крутизна. Она зависит от отношения ширины канала вк к его длине lк и обратно пропорциональна толщине диэлектрика.В современных транзисторах отношение вк/lк=103 – 104 ; d=0.1 - 0.2мкм. При этих условиях крутизна "S" может достигать десятков  и  сотен мА/В, что уже реализуется практически.

Внутреннее сопротивление Ri на пологом участке выходной  характеристики обусловлено  зависимостью длины условно перекрытой части канала от напряжения на стоке Uс.

Типичные значения Ri - сотни кОм.

Входное сопротивление Rвх достигает значений  единицы  -  десятки МОм. Это  обусловлено очень малой величиной входного тока в цепи затвора (Iз единицы мкА). Статический коэффициент усиления по напряжению составляет несколько сотен.

Методика определения параметров аналогична рассмотренной в предыдущей лекции.

Схема питания МДП-транзисторов в режиме обогащения канала  (когда полярности Uс и Uз совпадают) приведена на рис.4. Элементы схемы рассчитываются следующим образом:

Ec

R1

R2

Rc

Рис. 4

; ;

 R2=1 – 2 МОм ;

Таким образом МДП-транзисторы представляют собой  полупроводниковый прибор,  управляющий электрод которого (затвор) полностью изолирован от канала и управление величиной тока в канале  осуществляется  за счет  электростатической  индукции.  В полупроводнике под диэлектриком образуется поверхностный заряд,  которым управляет поперечное электрическое  поле  затвора. МДП-транзисторы характеризуются теми же характеристиками и дифференциальными параметрами,  что и ПТ с управляющим р-п переходом.  Но  вид характеристик и численное значение параметров другие.

2. Режимы работы, импульсные свойства полевых транзисторов

Полевые транзисторы  могут  работать в режиме усиления и в режиме переключения.  Работа их в режиме усиления (в режиме малого  сигнала), выбор режима работы аналогичен биполярным транзисторам.

Специфика режима  переключения  прежде  всего заключается в таком выборе напряжения на входе, а также напряжения питания и сопротивления нагрузки,  которые обеспечивают два статических состояния транзистора: выключенное и включенное.

Выключенное состояние  транзистора  соответствует  отсечке канала (точка А,  рис. 5) и обеспечивается выбором достаточно малого напряжения на затворе Uзи <Uзи пор. Как правило,  на практике выбирают Uзи=0, чтобы напряжение помехи на входе не изменяло выключенного состояния транзистора.

D

Uси

Ic

Ec

Uси ост

А

В

С

Рис. 5

Uзи вкл

Ток стока практически отсутствует  (Iс= 0),  напряжение  на  стоке максимально (Uси=Eс).

Включенное состояние транзистора  соответствует  режиму  с  малым сопротивлением канала.  В этом режиме напряжение на затворе больше порогового Uзи >Uзи пор. Ток стока достигает максимального значения

IсEс /Rс

Выходное напряжение

Uси=Eс-Iс Rс

уменьшается вследствие  увеличения падения напряжения на нагрузке  Rс. Особенностью этого  состояния является сравнительно большая величина остаточного напряжения Uси ост,  что затрудняет управление последующими каскадами.

Для уменьшения остаточного напряжения на стоке во включенном состоянии до  приемлемых значений Uси ост=0,3 - 0,5В повышают напряжение на затворе до величины Uзи вкл.

Быстродействие полевого транзистора,  как и частотные свойства,  в основном определяются межэлектродными емкостями и сопротивлением канала.

При анализе переходных процессов в основном учитывают влияние выходной емкости Cвых. В исходном состоянии транзистор выключен, так как Uзи=0. Рабочая точка находится в положении А: Iс=0,  Uси=Eс.

При подаче на вход напряжения затвора Uзи вкл рабочая точка скачком переходит  в  положение  В (напряжение на стоке из-за влияния Свых остается равным Ес).  Затем в процессе разряда емкости  рабочая  точка движется по выходной характеристике в положение С и далее в D.

При воздействии  отрицательного  перепада  напряжения  транзистор закрывается и происходит заряд емкости Свых через сопротивление в цепи стока. Рабочая точка, скачком опустившись вниз движется практически по оси Uс в конечное положение А.

Таким образом,  длительность процессов включения и выключения полевых транзисторов определяется в основном длительностью разряда и заряда емкости Свых.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Данной лекцией закончено изучение устройства  и  принципа  работы полевых транзисторов,  в  которых  управление током происходит за счет создаваемого поперечного электрического поля. Были изучены характеристики и дифференциальные параметры транзисторов, рассмотрены особенности работы в режиме переключения.  Целесообразно в  дальнейшем,  самостоятельно,  рассмотреть особенности работы в режиме усиления.

На следующем занятии (лабораторной работе) вы практически изучите характеристики транзистора  и получите навыки в расчете дифференциальных параметров.

Задание на самостоятельную подготовку

1. Изучить материал по учебнику [Л1] страницы 310-313.

Старший преподаватель кафедры N9

доцент            п/п                Г.Подлеский

Рецензент:

доцент        п/п

Б.Степанов


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

78319. РЕЧЬ И ОБЩЕНИЕ 101 KB
  Понятие речи. Речь это особая и наиболее совершенная форма общения, свойственная только человеку. Она обладает огромными выразительными возможностями, которые передают психические переживания говорящего. С позиции психологии речь – это вынесенная во вне психика человека
78321. ПСИХОЛОГИЯ МАЛЫХ ГРУПП 162 KB
  Понятие группы и их классификация Человек это общественное существо и вся его жизнь от рождения до смерти протекает в различных группах: семье школьном студенческом производственном армейском коллективах спортивной команде кругу друзей подруг и т. Традиционная психология не делает акцент на социальной характеристике группы. Психологию интересует не характер содержательной социальной деятельности группы а скорее форма действий индивида в условиях присутствия других людей или...
78322. ПРЕДМЕТ И МЕТОДЫ ПСИХОЛОГИИ 112 KB
  Характерной чертой развития современного общества является постоянно возрастающий интерес к человеческой индивидуальности. Именно эту задачу позволяет нам решить изучение психологии в вузе. Объектом психологии как области научного знания является все то в реальном мире что выступает действительным или потенциальным носителем психического; совокупность изучаемых психологией явлений реального мира взаимодействующая с психикой. Предмет психологии психика психическое во всех формах и разновидностях его...
78323. ПСИХИКА И ОРГАНИЗМ. МОЗГ И ПСИХИКА 118.5 KB
  Кеннона является неспецифическая структура головного мозга – таламус. Возникновение эмоции есть результат одновременного возбуждения через таламус симпатической нервной системы и коры головного мозга. Собственно с эмоциями из всех структур головного мозга связан больше не таламус а гипоталамус и центральная часть лимбической системы. Таким образом теория КеннонаБарда связывает психические явления не только с физиологическими процессами в организме но и с особенностями функционирования центральной нервной системы – структурами головного...
78324. ИНДИВИДУАЛЬНО-ПСИХОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЛИЧНОСТИ 122 KB
  Темперамент личности – совокупность динамических особенностей психической деятельности зависящих от особенностей высшей нервной деятельности конкретного человека. Эстраверсия – интроверсия – выражаются в преимущественной направленности активности личности либо вовне на мир внешних объектов: окружающих людей событий предметов либо вовнутрь на свои переживания и мысли. Темперамент как биологически обусловленное качество индивида не определяет содержание личности ее...
78325. КИСЛОТНО-ОСНОВНОЙ ГОМОГЕННЫЙ КАТАЛИЗ 93.87 KB
  Гетерогенный катализ позволяет интенсифицировать производственные процессы, использовать более доступные и дешёвые исходные материалы, получать новые вещества с нужными свойствами. В настоящее время гетерогенн-каталитические процессы используют в таких важнейших производствах, как получение серной кислоты
78326. ЭЛЕКТРОХИМИЯ 178.5 KB
  Сумма скачков потенциала на всех границах раздела фаз равновесной электрической системы называется электродвижущей силой ЭДС элемента. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА Гальванический элемент состоит из двух электродов анода и катода. Его устройство и принцип работы рассмотрим на примере элемента ДаниэляЯкоби. При замыкании цепи гальванического элемента между электродом и раствором электролита идёт реакция окисления: Ионы цинка из электрода переходят в раствор а на электроде остаются электроны; таким...
78327. ТЕРМОДИНАМИКА ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА 158.39 KB
  В ходе химической реакции при работе гальванического элемента на каждом электроде растворяется или выделяется n молей вещества. Эта максимально полезная работа эквивалентна электрической энергии равной nFE получаемой при работе гальванического элемента. где n число электронов пронимающих участие в процессе F постоянная Фарадея 96 500 Кл E ЭДС элемента.