Компьютерная электроника Лекция 19. Полевые транзисторы

Полевые транзисторы Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, работа которого основана на модуляции сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем. Полевые транзисторы часто называют униполярными. Полевые транзисторы бывают двух видов; с управляющим p-n-переходом; со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзистор). Часто в качестве диэлектрика применяют окисел кремния, поэтому их иногда называют МОП-транзистор. МДП-транзисторы могуь быть двух типов: транзисторы с встроенным каналом; транзисторы с индуцированным каналом.

Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом Полевой транзистор представляет собой монокристалл полупроводника, по торцам которого сформированы электроды, а посередине созданы две области противоположного типа проводимости и выводы от этих областей. Тогда на границе раздела областей с различным типом проводимости возникнет р-n-переход. Для эффективного управления выходным током материал основного полупроводника должен быть высокоомным. Кроме того, начальная ширина канала должна быть достаточно малой – порядка нескольких микрон.

Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом

Электрод, от которого движутся основные носители заряда в канале, называют истоком, а электрод, к которому движутся, - стоком. Управляющий электрод называют затвором. Рассмотрим физические процессы. При изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на переходе и от этого изменяется его ширина. Соответственно изменяется площадь поперечного сечения канала, через который проходит поток основных носителей заряда. Управляющее действие затвора наглядно иллюстрирует стоко-затворная характеристика I c = (U зи ) при U си = const. При U зи =0 сечение канала наибольшее, его сопротивление минимально, и, следовательно, ток максимален. При увеличении U зи площадь поперечного сечения канала уменьшается, ток снижается, При некотором запирающем напряжении, называемом напряжением отсечки, площадь поперечного сечения станет равной нулю и ток стока будет очень мал.

Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом Стоко-затворная характеристика Выходная характеристика

Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом Рассмотрим выходные характеристики. С увеличением U СИ ток сначала растет довольно быстро, но затем его рост замедляется и наступает явление, напоминающее насыщение. Это объясняется тем, что с ростом U СИ возрастает обратное напряжение на p-n-переходе и увеличивается ширина запирающего слоя, а ширина канала соответственно уменьшается. Это приводит к увеличению его сопротивления и уменьшению тока стока. Таким образом, происходит два взаимно противоположных влияния на ток, в результате чего он остается почти неизменным. Повышение напряжения стока приводит к электрическому пробою p-n-перехода, и ток стока начинает лавинообразно нарастать.

Эквивалентная схема полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Параметры эквивалентной схемы полевого транзистора R зс, R зи и С зс, С зи – сопротивление и емкости p-n-переходов, включенных в обратном направлении; R i =dU си /dI с при U зи =const – дифференциальное (внутренне) сопротивление канала транзистора (сотни килоом); С си – емкость между стоком и истоком транзистора; S=dI с /dU зи при U си =const – крутизна характеристики, определяющая управляющее действие затвора; S*U зи – генератор тока, характеризующий усилительные свойства транзистора. Усилительные свойства по напряжению характеризует коэффициент усиления: =dU си /dU зи =( dU си /dI c )*(dI с /dU зи )= R i *S.

Преимущества полевых транзисторов В сравнении с биполярными транзисторами: высокое входное сопротивление; малые шумы; простота изготовления.

МДП-транзистор с встроенным каналом МДП-транзистор представляет собой монокристалл полупроводника (обычно кремния), где создана электропроводность какого-либо типа. В нем созданы две области с электропроводностью противоположного типа, которые соединены между собой тонким приповерхностным слоем этого же типа проводимости. От этих двух зон сформированы электрические выводы, которые называют истоком и стоком. На поверхности канала имеется слой диэлектрика (обычно диоксида кремния) толщиной порядка 0.1 мкм, а на нем наносится тонкая металлическая пленка, от которой также делается электрический вывод – затвор. От основания (подложки(П)) делается вывод. Длина канала составляет единицы микрометров, а ширина - сотни.

МДП-транзистор с встроенным каналом

При нулевом напряжении на затворе через канал протекает ток, представляющий собой поток электронов. Через кристалл ток не протекает, так как переход находится под обратным напряжением. При подаче на затвор отрицательного напряжения в канале создается поперечное электрическое поле, под влиянием которого электроны проводимости выталкиваются из канала. Он обедняется электронами, сопротивление его увеличивается, ток стока уменьшается. Чем больше отрицательное напряжение затвора, тем меньше этот ток. Такой режим транзистора называют режимом обеднения. Если на затвор подать положительное напряжение, то под действием поля, созданного этим напряжением, из областей стока и истока, а также из кристалла в канал будут приходить электроны, проводимость канала увеличивается и ток стока возрастает. Этот режим называется режимом обогащения. Режимы работы транзистора наглядно показывают стоко-затворные и выходные характеристики.

Характеристики МДП-транзистора с встроенным каналом

Эквивалентная схема МДП-транзистора с встроенным каналом

Параметры эквивалентной схемы R зс ут, R зи ут и С зс, С зи – сопротивление утечки и емкости между затвором и областями стока и истока соответственно; R i =dU си /dI с при U зи =const – дифференциальное (внутренне) сопротивление канала транзистора (сотни килоом); С си – емкость между стоком и истоком транзистора; S=dI с /dU зи при U си =const – крутизна характеристики, определяющая управляющее действие затвора; S*U зи – генератор тока, характеризующий усилительные свойства транзистора. R пс, R пи и С пс, С пи – сопротивление и емкости переходов подложка-сток и подложка-исток, включенных в обратном направлении;

МДП-транзистор с индуцированным каналом

При отсутствии напряжения на затворе тока в канале нет. Если на затвор подать положительное напряжение, то под влиянием поля затвора электроны проводимости будут перемещаться из областей стока и истока и из p-области по направлению к затвору. Когда напряжение затвора превысит некоторое пороговое или отпирающее значение (единицы вольт), то в поверхностном слое концентрация электронов настолько увеличится, что превысит концентрацию дырок, и в этом случае произойдет инверсия типа проводимости, возникнет индуцированный канал n-типа и транзистор начнет проводить ток. Эквивалентная схема такая же как и у МДП-транзистора с встроенным каналом. Режимы работы транзистора наглядно показывают стоко-затворные и выходные характеристики.

Характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом

Преимущества МДП-транзисторов Преимущества МДП – транзисторов по сравнению с полевыми транзисторами с управляющим p-n-переходом: лучшие температурные характеристики; лучшие шумовые характеристики; большое входное сопротивление (до Ом) при любой полярности входного напряжения; меньшее значение входной емкости, следовательно, предельная частота может достигать сотен МГц; простота конструктивной реализации, особенно транзисторов с индуцированным каналом.

Конструкции транзисторов

Схемы включения полевых транзисторов Различают три схемы включения полевых транзисторов. Это схемы с общим: 1 истоком; 2 стоком; 3затвором.

Схема с общим истоком Имеет большой коэффициент усиления по току и по напряжению. Изменяет фазу входного сигнала на 180 градусов. Относительно большие входное и выходное сопротивления.

Схема с общим стоком Подобна эмиттерному повторителю и называется истоковый повторитель. Коэффициент усиления по напряжению меньше единицы. Выходное напряжение по фазе повторяет входное. Высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление.

Схема с общим затвором Аналогична схеме с общей базой. Не дает усиления по току и поэтому коэффициент усиления по мощности незначителен. Входное сопротивление мало, так как входным током является ток истока. Фаза напряжения при усилении не изменяется.

Сравнение схем включения полевых транзисторов Из трех рассмотренных схем не находит практического применения схема с общим затвором из-за малого входного сопротивления и незначительного коэффициента усиления по мощности.