Политех в Сети

Сайт для Учебы

4.6. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Рейтинг пользователей: / 10
ХудшийЛучший 

Наряду с биполярными транзисторами, в которых в создании тока принимают участие два типа носителей – основные и неосновные, существуют униполярные транзисторы - с носителями тока одного знака (только электроны или только дырки), использующие эффект влияния электрического поля на проводимость полупроводника, получившие название полевых транзисторов. Если биполярные транзисторы управляются током, то полевые транзисторы управляются изменением электрического напряжения на управляющем электроде. Полевые транзисторы имеют много общего с электронными лампами – высокое входное сопротивление, управление электрическим полем и похожие выходные статические характеристики. В иностранной литературе такие транзисторы обозначают аббревиатурой FET от английского названия Field Effect Transistor.

Полевой транзистор представляет собой трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором имеются следующие области: исток, затвор, канал и сток. Управление выходным током осуществляется за счет изменения толщины проводящего полупроводникового слоя.

Существует два типа полевых транзисторов:

1. Полевые транзисторы с управляющим P-N – переходом.

2. Полевые транзисторы с изолированным затвором.

Устройство полевого транзистора с управляющим – переходом показано на рис. 4.27.

Рис. 4.27. Устройство полевого транзистора с управляющим переходом

Основным элементом такого транзистора является подложка – тонкая пластинка полупроводника или - типа, на которую с двух сторон нанесены слои полупроводника с противоположным типом проводимости.

Возьмем за основу пластинку полупроводника - типа. К торцам пластинки и к двум областям - типа припаяны омические контакты и подключены внешние постоянные напряжения, полярность которых показана на рисунке. Два слоя - типа соединены между собой, образуя один электрод. Этот электрод называется затвором. Один из электродов полупроводника - типа, от которого движутся электроны подложки, называется истоком, а электрод, к которому движутся электроны, называется стоком. Между полупроводниками с разными типами проводимости образуются два перехода. Тонкий слой полупроводника -типа, расположенный между двумя переходами, называется каналом.

Работа полевого транзистора основана на изменении толщины проводящего слоя канала за счет внешнего напряжения, прикладываемого между затвором и истоком. Пусть между истоком и стоком приложено внешнее постоянное напряжение минусом к истоку, а плюсом к стоку. Тогда под влиянием разности потенциалов от истока к стоку начнут двигаться электроны подложки, проходя через канал. К затвору тоже подводится внешнее напряжение, причем такой полярности, чтобы оба перехода между затвором и подложкой были смещены в обратном направлении. При этом образуется обедненный носителями слой полупроводника -типа, толщину которого можно изменять, изменяя напряжение на затворе относительно истока. За счет этого будет изменяться поперечное сечение и электрическое сопротивление проводящего слоя канала транзистора, что вызывает изменение выходного тока полевого транзистора. Справа образуется суженная часть канала, так как здесь сильнее действие потенциала стока, чем слева.

Если последовательно с каналом в цепь стока включить резистор нагрузки и подключить между затвором и истоком генератор переменного управляющего сигнала, то при изменении напряжения на затворе будет изменяться проводимость канала и будет соответственно меняться и падение напряжения на резисторе нагрузки. Так как переходы смещены в обратном направлении, то их сопротивление будет большим, а входной ток затвора будет очень малым по сравнению с током канала. Следовательно, входная мощность, затрачиваемая на управление транзистором, будет небольшой, а выходная мощность сигнала на нагрузке, которая определяется величинами тока канала и резистором нагрузки, может значительно превышать входную. Таким образом, полевой транзистор является усилительным прибором.

По числу электродов, каждый из которых может быть общим для входной и выходной цепи каскада, возможны три схемы включения полевого транзистора: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком. Наиболее полно работа полевого транзистора характеризуется семейством его статических вольтамперных характеристик. Сток-затворные характеристики для схемы с общим истоком представляют собой зависимость тока стока от напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке относительно истока:

При . (4.57)

Такие характеристики называются передаточными характеристиками.

описание: 3

Рис. 4.28. Передаточные характеристики полевого транзистора с управляющим переходом с каналом - типа.

Такое напряжение на затворе, при котором канал полностью перекрыт и ток в канале равен нулю, называется напряжением отсечки. Для полевых транзисторов напряжение отсечки составляет единицы Вольт.

Выходные статические характеристики схемы с общим истоком представляют собой зависимость тока стока от напряжения на стоке относительно истока при постоянном напряжении на затворе относительно истока:

при . (4.58)

Выходные характеристики называются сток-стоковыми характеристиками. На рис. 4.29 приведены выходные статические характеристики полевого транзистора с управляющим переходом с каналом -типа.

Рис. 4.29. Выходные характеристики полевого транзистора с управляющим переходом с каналом n-типа.

Кроме рассмотренного способа управления проводимостью канала возможен и другой способ, когда сопротивление канала меняется при изменении потенциала электрода, изолированного тонким слоем диэлектрика от объема полупроводника. Транзисторы, работа которых основана на этом принципе, называются полевыми транзисторами с изолированным затвором. Так как в большинстве случаев в качестве диэлектрика используется окисел SiO2, то такие транзисторы называются также МОП-транзисторами (металл–окисел– полупроводник) или МДП-транзисторами (металл-диэлектрик - полупроводник). В иностранной литературе МОП-транзисторы обозначаются аббревиатурой MOS (metal – oxide – semiconductor).

Работа МДП-транзистора основана на том, что при создании разности потенциалов между объемом полупроводника и изолированным металлическим электродом, у поверхности полупроводника образуется слой с концентрацией носителей зарядов, отличной от концентрации в остальном объеме полупроводника. За счет этого можно создать тонкий слой с повышенной концентрацией носителей заряда – канал, сопротивлением которого можно управлять, изменяя напряжение на изолированном электроде.

На рис. 4.30 представлена структура МДП-транзистора. В полупроводниковой пластинке - типа путем легирования созданы две области с - проводимостью (“карманы”), между которыми электрическим полем затвора индуцируется узкая область с проводимостью -типа – канал. Если между стоком и истоком подключить напряжение с полярностью, показанной на рисунке, то через канал начнет протекать постоянный ток, которым можно управлять, изменением напряжения на затворе.

Рис. 4.30. Структура МДП-транзистора с каналом -типа.

МДП – транзисторы делятся на две группы:

1. МДП – транзисторы с индуцированным каналом.

2. МДП – транзисторы с встроенным каналом.

В первых канал между истоком и стоком наводится (индуцируется) только при наличии соответствующего напряжения между затвором и истоком. Когда же разность потенциалов между затвором и истоком равна нулю, ток в канале практически отсутствует.

В МДП–транзисторах со встроенным каналом канал создается технологическим путем. При отсутствии напряжения между затвором и истоком проводимость канала не равна нулю, причем ее можно увеличить или уменьшить изменением напряжения на затворе.

В качестве исходной полупроводниковой пластинки (подложки) могут быть использованы полупроводники или -типа. Поэтому различают полевые транзисторы и -типов. Обозначения полевых транзисторов на электрических схемах приведено в таблице 4.1.

Типы полевых транзисторов Таблица 4.1

Тип транзистора

N - типа

Р - типа

С управляющим P-N – переходом

описание: полевойтр-руправлp-nпереходом n-типа

описание: полевойтр-руправлp-nпереходом p-типа

МДП с индуцированным каналом

описание: полевойтр-риндуцирканал n-типа

описание: полевойтр-риндуцирканал p-типа

МДП со встроенным каналом

описание: полевойтр-рвстроеннканал p-типа

описание: полевойтр-рвстроеннканал p-типа

Выходные статические характеристики МДП ­– транзистора с индуцированным каналом – типа представлены на рис. 4.31.

описание: выходныех-киполевойиндуцирканал n-типа

Рис. 4.31.Выходные статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом -типа

В МДП-транзисторах с встроенным каналом проводимость канала не равна нулю, когда напряжение на затворе относительно истока равна нулю. МДП-транзистор с встроенным каналом может работать в режиме обогащения канала носителями тока и в режиме обеднения канала носителями тока в зависимости от полярности напряжения на затворе. Выходные статические характеристики МДП-транзистора с встроенным каналом приведены на рис. 4.32.

описание: выходныех-киполевойвстроеннканал n -типа

Рис. 4.32. Выходные статические характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом -типа

Поскольку входной ток в цепи затвора ничтожно мал, то на управление проводимостью канала в цепи затвор-исток необходима намного меньшая мощность, чем мощность сигнала, получаемая на выходе в цепи сток-исток. Полевые транзисторы с изолированным затвором являются усилительными приборами. Так как затвор изолирован от канала слоем диэлектрика, они отличаются очень большим значением входного сопротивления – до . Высокое значение входного сопротивления позволяет использовать МДП-транзисторы в качестве входных каскадов усиления электронных вольтметров, осциллографов, а также электрометрических усилителей для измерения сверхслабых постоянных токов.

4.6.1. Параметры полевых транзисторов.

Основными параметрами полевых транзисторов всех рассмотренных типов являются крутизна, коэффициент усиления по напряжению и внутреннее сопротивление.

Крутизна характеризует усилительные свойства полевого транзистора и равна отношению приращения тока стока к вызвавшему его приращению напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке относительно истока:

при . (4.59)

Крутизна полевых транзисторов составляет величину от десятых долей до единиц .

Коэффициентом усиления напряжения называется отношение приращения напряжения стока к приращению напряжения на затворе при постоянной величине тока стока:

при . (4.60)

Внутренним сопротивлением полевого транзистора называется отношение приращения напряжения стока к соответствующему приращению тока стока при постоянном напряжении на затворе относительно истока:

при . (4.61)

Величина внутреннего сопротивления составляет единицы мегом.

Коэффициент усиления, крутизна и внутреннее сопротивление связаны между собой уравнением:

. (4.62)

4.6.2. Свойства полевых транзисторов

Технология изготовления полевых транзисторов значительно проще, чем биполярных. Особенно важно, что полевые транзисторы в микросхемах занимают значительно меньшую площадь на один транзистор и потребляют гораздо меньший ток. Это позволяет создавать большие и сверхбольшие интегральные схемы с высокой степенью интеграции, содержащие на одной пластинке кремния размером Мм миллионы активных элементов.

Частотные свойства полевых транзисторов зависят от времени пролета канала носителями тока, то есть от длины проводящего канала и скорости носителей. Современная технология позволяет выполнить полевые транзисторы с длиной канала, достигающей нескольких микрометров. Скорость носителей тока увеличивается при увеличении напряженности поля в канале, однако при напряженности поля больше некоторого значения наступает насыщение скорости. Частотные свойства полевых транзисторов зависят также от межэлектродных емкостей затвор-сток, затвор-исток и сток-исток. Граничные частоты современных полевых транзисторов составляют единицы гигагерц.

В биполярных транзисторах с увеличением температуры увеличивается число генерируемых неосновных носителей и увеличивается ток. В полевых транзисторах ток зависит от концентрации основных носителей и их подвижности. Концентрация носителей определяется степенью легирования и не зависит от температуры. Вследствие тепловых колебаний кристаллической решетки с ростом температуры подвижность носителей в канале падает, что приводит к уменьшению тока и крутизны характеристики транзистора. Наряду с полевыми транзисторами, в которых наблюдается уменьшение стокового тока с ростом температуры, выпускаются полевые транзисторы, у которых ток стока возрастает с повышением температуры. Выпускаются также полевые транзисторы, которые при некотором значении напряжения на затворе имеют нулевой температурный коэффициент. Различный характер температурных характеристик объясняется тем, что изменение температуры влияет не только на подвижность носителей и связанное с этим объемное рассеяние, но и на поверхностное рассеяние в канале, имеющее обратную температурную зависимость. В отличие от биполярных полевые транзисторы могут работать при температурах, близких к абсолютному нулю.

Полевые транзисторы отличаются также повышенной радиационной стойкостью по сравнению с биполярными транзисторами.

4.6.3. Схемы включения полевых транзисторов

Возможны три схемы включения полевых транзисторов: с общим затвором, с общим истоком и с общим стоком. Наиболее широко применяются схемы с общим истоком и общим стоком. На рис. 4.33 показана принципиальная схема резисторного усилителя с общим истоком на полевом транзисторе с управляющим переходом и каналом -типа. Смещение на затвор относительно истока обеспечивается падением напряжения на резисторе резистором в цепи затвора. Емкость выбирается достаточно большой для переменного тока и закорачивает резистор .

описание: 3

Рис. 4.33. Резисторный усилитель с общим истоком на полевом транзисторе с управляющим переходом и каналом -типа

На рис. 4.34 приведена схема резисторного усилителя на полевом транзисторе с индуцированным каналом -типа.

Рис. 4.34 Схема резисторного усилителя на полевом транзисторе с индуцированным каналом -типа

В этом каскаде начальное напряжение смещения на затворе должно совпадать по знаку с потенциалом стока и по величине превышать пороговое напряжение, при котором индуцируется проводящий канал за счет инверсии типа проводимости в канале. Напряжение смещения задается в этой схеме от источника питания цепи стока резистивным делителем в цепи затвора и стабилизируется цепочкой .

Коэффициент усиления усилителей, показанных на рис. 4.33, 4.34, в области средних частот примерно равен

. (4.63)

Схемы с общим стоком (истоковые повторители) на транзисторе с управляющим Переходом и на МОП транзисторе с встроенным каналом приведены на рис. 4.35.

описание: истоковыйповторительp-nпереходописание: истоковыйповторительвстроенныйканалn-типа

А Б

Рис. 4.35. Схемы истоковых повторителей: А – на транзисторе с управляющим Переходом; Б – на МОП транзисторе с встроенным каналом

Для истокового повторителя справедливы следующие соотношения:

, (4.64)

, (4.65)

. (4.66)

Следовательно, коэффициент передачи истокового повторителя равен:

. (4.67)

Из этого выражения видно, что коэффициент передачи напряжения в истоковом повторителе немного меньше 1.

Ток на выходе истокового повторителя примерно равен:

. (4.68)

Следовательно, выходное сопротивление истокового повторителя равно:

. (4.69)