Лекция 22. назначение, устройство, принцип

РАБОТЫ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С

ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ,

ХАРАКТЕРИСТИКИ.

1. Полевой транзистор со встроенным каналом.

В таких полевых транзисторах затвор отделён от полупроводникового канала тонким слоем диэлектрика. Иначе эти приборы называют МДП – транзисторами (от слов металл – диэлектрик – полупроводник) или МОП- транзисторы (от слов металл – оксид – полупроводник), так как диэлек-триком служит обычно слой диоксида Si .

Принцип устройства полевого транзистора со встроенным каналом показан на рис. 7.7, а. Основанием служит кремниевая пластинка с электропроводимостью типа p. В ней созданы две области с электро-проводимостью типа с повышенной проводимостью. Эти области являются истоком и стоком. От них сделаны выводы. Между истоком и стоком имеется тонкий приповерхностный канал с электропроводи-мостью n типа. Длина канала от стока до истока обычно единицы мкм, а его ширина – сотни мкм и более. Толщина Si 0,1 ÷ 0,2 мкм. Сверху над диэлектрическим слоем расположен затвор в виде тонкой метал-лической плёнки. Кристалл МДП транзистора обычно соединён с истоком, а его потенциал принимают за 0 – так же как и потенциал истока. Иногда от кристалла сделан отдельный вывод. Прибор с такой структурой называют транзистором с собственным (или встроенным) каналом. Работает такой транзистор следующим образом.

Если при = 0 приложить между стоком и истоком напряжение, то через канал потечёт ток, представляющий собой поток электронов. Через кристалл ток не пойдёт, так как один из p – n переходов находится под обратным напряжением. При подаче на затвор напряже- ния, отрицательного относительно истока, а, следовательно, и кристалла, в канале создаётся поперечное электрическое поле, под влиянием которого электроны проводимости выталкиваются из канала в области истока и стока и в кристалл. Канал обедняется электронами, сопротив-ление его увеличивается и ток стока уменьшается. Чем больше отрица-тельное напряжение на затворе, тем меньше ток стока. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.

Рис. 7.7. Устройство полевого транзистора со встроенным каналом n типа (а) и условное графическое изображение полевых транзисторов со встроенным n каналом (б) и p каналом (в).

Если на затвор подать положительное напряжение, то под действием электрического поля, созданного этим напряжением, из областей истока и стока, а также из кристалла в канал будут приходить электроны. Проводимость канала при этом возрастает и ток стока увеличивается. Этот режим называется режимом обогащения.

Выходные характеристики МДП транзистора (рис. 7.8) подобны выходным характеристикам полевого транзистора с управляющим p – n переходом. Эти характеристики показывают, что с увеличением напряжения ток стока сначала растёт довольно быстро, а затем это нарастание уменьшается и почти совсем прекращается, т.е. наступает явление, напоминающее насыщение. Это объясняется тем, что при увеличении напряжения от 0 сначала действует закон Ома и ток возрастает пропорционально напряжению, а затем, при некотором напряжении , канал начинает сужаться, особенно около стока. Так как на p – n переходе между каналом и кристаллом возрастает обратное напряжение, область этого перехода, обеднённая носителями, расширяется и сопротивление канала растёт. Таким образом, ток стока испытывает два взаимно противоположных влияния: при увеличении напряжения ток должен возрастать по закону Ома, но при увеличении сопротивления канала ток уменьшается. Результирующий ток остаётся почти постоянным до такого , при котором наступает электрический пробой на кристалл.

Характеристика управления МДП транзистора со встроенным каналом n типа приведена на рис. 7.9.

Рис. 7.8. Выходные характеристики МДП транзистора со встроенным каналом типа n.

Рис. 7.9. Характеристики управления МДП транзистора со встроенным каналом типа n.

2. Полевой транзистор с индуцированным (инверсным) каналом.

От предыдущего транзистора транзистор с инверсным каналом отличается тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения определённой полярности. При отсутствии этого напряжения канала нет, между истоком и стоком типа расположен только кристалл p типа и на одном из p - переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между истоком и стоком велико, т.е. транзистор заперт. Но если подать на затвор положительное напряжение, то под влиянием поля затвора электроны проводимости

Рис. 7.10. Устройство полевого транзистора со встроенным каналом n типа.

будут перемещаться из областей истока, стока и из p области по направлению к затвору. Когда напряжение на затворе превысит некоторое отпирающее (пороговое) значение (единицы вольт), то в при-поверхностном слое концентрация электронов настолько возрастёт, что превысит концентрацию дырок и в этом слое произойдёт так называ-емая инверсия типа электропроводимости, т.е. образуется тонкий канал n типа и транзистор начнёт проводить ток. Чем больше положительное напряжение на затворе, тем больше проводимость канала и ток стока. Таким образом, подобный транзистор может работать только в режиме обогащения (рис. 7.10.).

Параметры такого МДП транзистора аналогичны параметрам полевого транзистора с управляющим p – n переходом. Характеристики полевого транзистора с инверсным каналом приведены на рис. 7.11 и на рис. 7.12.

Рис. 7.11 Выходные характеристики МДП транзистора с инжектированным каналом типа n.

Рис. 7.12. Характеристики управления МДП транзистора с инжектированным каналом типа n.

Рис. 7.13. Условное графическое изображение МДП транзисторов с инжектированным каналом типа n (слева) и типа p (справа).

Условное графическое изображение МДП транзисторов с инжектированным каналом типа n (слева) и типа p (справа) приведены на рис. 7.13.

Полевые транзисторы с изолированным затвором имеют ряд преимуществ в отношении температуры, шумовых и радиационных свойств по сравнению с полевыми транзисторами с управляющим p – n переходом. Сопротивление изоляции затвора представляет собой входное сопротивление постоянному току на низких частотах (НЧ) и достигает ÷ Ом. Входное сопротивление остаётся высоким при любой полярности напряжения на затворе (у полевых транзисторов с управляющим p – n переходом при прямом напряжении на затворе входное сопротивление ничтожно мало). Входная ёмкость может быть меньше 1πФ и предельная частота применения транзистора достигает сотен МГц.