Полевые транзисторы

Полупроводниковые приборы, работа которых основана на модуляции сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем, называются полевыми транзисторами. У них в создании электрического тока участвуют носители заряда только одного типа (электроны или дырки).

Полевые транзисторы бывают двух видов:

- с управляющим p-n-переходом;

- со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП)

Транзистор с управляющим p-n-переходом представляет собой пластину (участок) из полупроводникового материала с электропроводностью p- либо n-типа, к торцам которой подсоединены электроды - сток и исток. Вдоль пластины выполнен электрический переход (p-n-переход или барьер Шоттки), от которого выведен электрод - затвор.

Внешние напряжения прикладываются так, что между электродами стока и истока протекает электрический ток, а напряжение, приложенное к затвору, смещает электрический переход в обратном направлении. Сопротивление области, расположенной под электрическим переходом, которая называется каналом, зависит от напряжения на затворе. Это обусловлено тем, что размеры перехода увеличиваются с повышением приложенного к нему обратного напряжения, а увеличение области, обедненной носителями заряда, приводит к повышению электрического сопротивления канала.

Таким образом, работа полевого транзистора с управляющим p-n-переходом основана на изменении сопротивления канала за счет изменения размеров области, обедненной основными носителями заряда, которое происходит под действием приложенного к затвору обратного напряжения. Основные носители заряда в канале начинают движение от истока и движутся к стоку. При подаче на затвор обратного напряжения канал может быть почти полностью перекрыт и тогда сопротивление между истоком и стоком очень высокое (десятки мегаом), ток Ic→0,, а такое напряжение называют напряжением отсечки полевого транзистора UЗИ отс.

Ширина p-n-перехода зависит также от величины тока, протекающего через канал. Пусть UСИ > 0, тогда ток IC, протекающий через транзистор, создает падение напряжения, которое окажется запирающим для перехода затвор-канал. Это приводит к увеличению ширины p-n-перехода, т.е. уменьшению сечения канала и его проводимости. При этом ширины p-n-перехода увеличивается по мере приближения к области стока, где будет наибольшее падение напряжения, вызванное током IC на сопротивлении канала RСИ. У края около истока действует напряжение UЗИ, а у края около стока |UЗИ |+UСИ. При малых значениях напряжения UCИ и малом IC транзистор ведет себя как линейное сопротивление: увеличение UCИ приводит к линейному возрастанию IC и наоборот. По мере роста UCИ характеристика UЗИ = f(UCИ) становится нелинейной, что обусловлено сужением канала у стокового конца. При определенном значении тока наступает режим насыщения. Его возникновение связано с тем, что при большом напряжении UCИ канал стока стягивается в узкую горловину, наступает динамическое равновесие - при увеличении UCИ рост тока IC приводит к дальнейшему сужению канала и соответствующему уменьшению тока IC. Напряжение насыщенно зависит от UЗИ.

При дальнейшем увеличении напряжения UCИ у стокового конца наблюдается пробой p-n-перехода. Область ОА называют крутой областью характеристики, АВ - пологой или областью насыщения.

В усилительных каскадах транзистор работает на пологом участке характеристики. За точкой. В возникает пробой транзистора. Входная характеристика полевого транзистора с управляющим p-n-переходом представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики p-n-перехода. Хотя ток затвора изменяется при изменении напряжения UCИ и достигает максимума при коротком замыкании выводов истока и стока (ток утечки затвора IЗ ут) им можно пренебречь. Изменение напряжения UЗИ не вызывает существенных изменений тока затвора, что характерно для обратного тока p-n-перехода.

При работе в пологой области вольтамперной характеристики ток стока при заданном напряжении UЗИ определяется выражением

Введем для количественной характеристики управляющего действия затвора понятие крутизны характеристики

Получаем

Таким образом, крутизна характеристики полевого транзистора уменьшается при увеличении напряжения, приложенного к его затвору.

Усилительные свойства полевых транзисторов характеризуются коэффициентом усиления

который связан с крутизной характеристики и внутренним сопротивлением уравнением

- дифференциальное внутреннее сопротивление транзистора.

Действительно, в общем случае IC = f(UCИ, UЗИ) и

Если при одновременном изменении UСИ и UЗИ ток IC = const, то dIC = 0, откуда

Схемы включения полевых транзисторов в усилительных каскадах:

Постоянное напряжение UCM обеспечивает получение заданного сопротивления канала RCИ и тока стока . При подаче входного усиливаемого напряжения Uвх потенциал затвора меняется, и, соответственно, меняются токи стока и истока, т.е. падение напряжения на нагрузочном резисторе.

Если R >> 1, то Δ>> за счет этого осуществляется усиление сигнала.

Основными преимуществами полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом перед биполярными является высокое входное сопротивление …Ом, малые шумы, отсутствие остаточного напряжения между истоком и стоком открытого транзистора, малые нелинейные искажения.

МДП-транзисторы могут быть двух типов:

- со встроенными каналами

- с индуцированными каналами.

Транзисторы первого типа могут работать как в режиме обеднения канала носителями заряда, так и в режиме обогащения. Транзисторы второго типа можно использовать только в режиме обогащения.

У МДП-транзисторов металлический затвор изолирован от полупроводника слоем диэлектрика и имеется дополнительный вывод от кристаллической пластинки - подложки.

Управляющее напряжение можно подавать как между затвором и подложкой, так и независимо на подложку и затвор. Под влиянием образующего электрического поля у поверхности полупроводника появляется канал p-типа за счет отталкивания электронов от поверхности вглубь полупроводника в транзисторе с индуцированным каналом. В транзисторе со встроенным каналом происходит расширение или сужение имевшегося канала под действием управляющего напряжения.

Существенным преимуществом МДП-транзисторов является высокое входное сопротивление, достигающее значений

МДП-транзисторы с диэлектриком из диоксида кремния SiO2 называются МОП-транзисторами. МОП-транзисторы с двумя изолированными затворами называются тетродными. Наличие второго затвора позволяет одновременно управлять током транзистора с помощью двух управляющих напряжений.

МДП-структуры специального назначения. Кроме рассмотренных полевых транзисторов, которые выпускаются в виде самостоятельных компонентов, применяется ряд МОП-структур со специфическими свойствами.

В структурах типа металл-нитрит-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором - двухслойный: SiO2 - тонкий слой, Si3N4 - толстый слой. При подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28 – 30 B) электроны из подложки туннелируют через тонкий слой SiO2 и захватываются в "ловушки" потенциала кристалла Si3N4. Появляются неподвижные отрицательно заряженные ионы. Созданный ими заряд повышает пороговое напряжение UЗИ пор1. Этот заряд может хранится несколько лет при отключении всех напряжений питания. Если на затвор подать отрицательное напряжение (28 – 30 B), то накопленный заряд рассасывается. После этого пороговое напряжение для транзистора существенно уменьшается. На основе МНОП-структур выполняются запоминающие элементы, которые в зависимости от записанного в них "заряда" будут иметь малое или большое сопротивление при подаче одинакового напряжения UЗИ порядка 3 − 5B.

МОП-структуры с плавающим затвором и лавинной инжекцией имеют затвор, который выполнен из кристаллического кремния Si и не имеет электрических связей с другими частями структуры. При подаче высокого напряжения на сток или исток транзистора возникает лавинный пробой p-n-перехода, образованного в подложке. При этом электроны приобретают энергии, позволяющие им проникнуть в изолирующий слой и достигнуть затвора. На затворе появляется отрицательный заряд, который вследствие высоких изолирующих свойств SiO2 сохраняется на протяжении многих лет: уменьшается на 25% за 10 лет. Величину заряда выбирают такой, чтобы он обеспечил появление электропроводного канала, соединяющего сток и исток.

Транзистор становится неэлектропроводящим, если убрать электрический заряд с "плавающего" затвора. Для этого область затвора облучают ультрафиолетовым излучением. Мощность его должна быть достаточной для ионизации и возникновения в цепи затвора фототока, в результате чего электроны рекомбиниpуют с дырками и заряд исчезает. Облучение производят через кварцевые окошки в микросхемах.

В лавинно-инжекционных МОП-структурах с плавающим затвором имеется второй затвор. В них стирание информации может производится импульсами напряжения с амплитудой около 30B.

Рассмотренные МОП-структуры используются в микросхемах ПЗУ (постоянных запоминающих устройств), которые можно перепрограммировать.

Основные параметров полевых транзисторов(y-параметры):

1.Крутизна характеристики, проводимость прямой передачи. Она показывает, насколько ампер изменяется IС, если при постоянном UCИ UЗ изменяется на 1В.

2.Выходная проводимость (выходное сопротивление):

Чаще используют понятие выходное (внутреннее) сопротивление:

3.Входное сопротивление:

4.Проводимость обратной связи:

Все эти параметры определяются по статическим характеристикам транзистора.

Кроме того, есть такой параметр, как статический коэффициент усиления (по напряжению). Он показывает во сколько раз увеличивается UCИ при увеличении UЗИ.