лекция по электротехнике по транзисторам. ЭиЭ_лек2.3_ТимченкоЕС_11002017. Тема 3 Полевые транзисторы
 Скачать 197.14 Kb.
|
Тимченко Екатерины Сергеевны гр. 11002017 Тема 2.3 Полевые транзисторы 2.1 Полевые транзисторы и их классификацияПолевой транзистор – это полупроводниковый прибор, работа которого обусловлена током основных носителей зарядов, протекающим через проводящий канал, сопротивление которого модулируется (управляется) электрическим полем. Другое название – униполярные транзисторы – обусловлено тем, что ток в них создается носителями заряда одного знака (электронами или дырками). Полевые транзисторы имеют ряд преимуществ перед биполярными транзисторами, таких как: высокое входное сопротивление, малые мощности для управления, высокие частотные свойства, возможность работы при низких температурах, высокая технологичность изготовления. Полевые транзисторы делятся на транзисторы с затвором в виде р – n-перехода (с управляющим р – n-переходом) и с изолированным затвором (со структурой металл – диэлектрик – полупроводник (МДП-транзисторы)), (другое название МОП-транзисторы). 2.2 Транзистор с управляющим р – n-переходомТранзистор с управляющим р – n-переходом (рис. 1) представляет собой пластину (участок) полупроводника р или n-типа, от торцов которой сделаны отводы, называемые сток и исток, а вдоль пластины выполнен электрический переход (р – n-переход или барьер Шоттки), имеющий свой вывод, называемый затвором.  Рис. 1 Структура и УГО транзистора с управляющим р – n- переходом и каналом n -типа (а); (б); УГО транзистора с каналом р-типа (в) На затвор подается такое по отношению к истоку напряжение, чтобы р – n-переход между затвором и кристаллом был смещен в обратном направлении. Основные параметры полевых транзисторов с управляющим р – n-переходом: 1. Ток стока в области насыщения выходных характеристик при неизменном значении Uси (аналитическое выражение стоко-затворной характеристики):  2. Крутизна характеристики S (оценка управляющего действия затвора):  Наибольшую крутизну характеристика имеет в области Uзи = 0. 3. Температурные свойства ПТ характеризуются семейством стокозатворных характеристик при разных значениях температуры окружающей среды. ПТ с управляющим р – n-переходом имеет «термостабильную» точку Т. Наличие точки, в которой сходятся характеристики, снятые в широком диапазоне температур, свидетельствует о том, что параметры ПТ в этой точке мало зависят от температуры. Нужно заметить, что крутизна характеристики в этой точке не велика. 4. Усилительные свойства ПТ помимо крутизны S характеризуются ещё коэффициентом усиления напряжения М, причем:  5. Дифференциальное внутреннее сопротивление:  6. Емкость р – n-перехода между затвором и каналом характеризуют двумя значениями: ёмкостью между затвором и истоком Сзи и между затвором и стоком Сзс. Величина ёмкости составляет (5 – 20) рF. 7. Эквивалентные схемы ПТ с управляющим р – n-переходом разнообразны в зависимости от условий применения. Наиболее часто используются малосигнальные (для сигналов переменного тока) эквивалентные схемы (рис. 2):  Рис. 2 Малосигнальные эквивалентные схемы ПТ: а) исходная; б) преобразованная, где RЗ – омическое сопротивление затвора, Rэкв – усредненное эквивалентное сопротивление. Ориентировочные значения для ПТ с управляющим p – n-переходом:  Изменение параметров и характеристик ПТ с изменением температуры обусловлено: изменением обратного тока р – n-перехода; изменением контактной разности потенциалов; изменением удельного сопротивления канала. Особое свойство ПТ с управляющим р – n-переходом – наличие термостабильной точки. Это свойство обусловлено тем, что с ростом температуры удельное сопротивление канала увеличивается, вызывая уменьшение тока стока. Это дает возможность правильным выбором режимов взаимно компенсировать изменения тока стока, вызванные изменением контактной разности потенциалов и удельного сопротивления канала. Увеличение удельного сопротивления канала приводит к уменьшению этого тока. Ориентировочное положение термостабильной точки на стоко- затворной характеристике определяется значением: |Uзит| =|Uзи отс|-0,63В. Недостаток этого режима – малая крутизна характеристик. 2.3 МДП(МОП)- транзисторыМДП-транзисторы (полевые транзисторы с изолированным затвором) могут быть двух видов (рис. 3): с индуцированным каналом (канал возникает под действием напряжения, приложенного к управляющим электродам); с встроенным каналом (канал создается при изготовлении). У МДП-транзистора, в отличие от ПТ с управляющим р – n-переходом, металлический затвор изолирован от полупроводника слоем диэлектрика и имеется дополнительный вывод от кристалла, называемый подложкой.  Рис. 3 Схематичная структура МОП-транзисторов, а) с индуцированным каналом, б) со встроенным каналом МДП-транзистор с индуцированным каналом р-типа устроен следующим образом. Основа – пластина слаболегированного кремния n-типа называется подложкой. В теле подложки созданы две сильно легированные области с полупроводником р-типа. Одна из них – сток (С), другая – исток (И). Электрод затвора З изолирован от областей тонким слоем диэлектрика SiO2 толщиной 0,2 - 0,3 мкм. Вследствие физических явлений, возникающих на границе раздела диэлектрика SiO2 с полупроводником n-типа, в подложке индуцируется обогащенный электронами поверхностный слой. Между р-областями стока и истока будет располагаться слой отрицательных зарядов, образуя структуру р – n – р на пути от истока к стоку. В месте контакта двуокиси кремния и полупроводника образуется контактная разность потенциалов, достигающая значения (1,4 – 2,4) В. Р-области с подложкой n-типа образуют р – n-переходы. К стоку и истоку прикладываются противоположные по знаку потенциалы, поэтому при любой полярности приложенного к электродам стока и истока напряжения один из р – n-переходов будет смещен в обратном направлении и препятствует протеканию тока. Следовательно, в данном приборе в исходном состоянии между стоком и истоком отсутствует токоведущий канал. Статические стоковые (выходные) характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом р-типа по виду похожи на таковые для транзистора с управляющим р-n-переходом и каналом n-типа (рис. 4):  Рис. 4 Стоко-затворная (а) и выходные (б) статические характеристики полевого транзистора с управляющим р – n-переходом и каналом n-типа Ток стока можно представить состоящим из двух составляющих:  где Iк – ток канала (управляемая часть); Ic ост – остаточный ток стока (это ток утечки плюс обратный ток неосновных носителей), Ic ост ≈ 0. В МОП-транзисторах с индуцированным каналом может также использоваться подложка р-типа, в которой будет индуцироваться канал n-типа. В исходном состоянии структуры вследствие контактных явлений на границе раздела диэлектрика SiO2 c полупроводником подложки образуется слой зарядов с электропроводностью n-типа, т.е. высоколегированные n-области уже соединены начальным каналом n-типа, который будет обладать при Uзи = 0 некоторой проводимостью. В таком канале путь для тока от истока к стоку уже открыт при Uзи = 0. Анализируя стоко-затворные характеристики транзистора с индуцируемым каналом n-типа (рис. 5), можно видеть, что этот транзистор также обладает свойствами управляемого ключевого элемента, как и транзистор с индуцируемым каналом р-типа.  Рис. 5 Примерный вид характеристики управления (а) и выходных характеристик МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа (б) МДП-транзисторы со встроенным каналом могут быть с каналом n- или р-типа (рис. 6).  Рис. 6 УГО полевых транзисторов со встроенным каналом: (а) канал n-типа; (б) канал р-типа Статические характеристики МОП-транзистора со встроенным каналом n-типа качественно не отличаются от статических характеристик МОП- транзистора с индуцированным каналом n-типа. Это же справедливо и для МДП-транзисторов со встроенным каналом р-типа. У транзисторов со встроенным каналом можно получить относительно большие токи – это их преимущество. У всех МДП-транзисторов потенциал подложки относительно истока оказывает влияние на характеристики транзистора. Если на подложку подается потенциал относительно истока, то напряжение между подложкой и истоком должно иметь такую полярность, чтобы р – n-переход «исток- подложка» был смещен в обратном направлении. С увеличением напряжения между подложкой и истоком (Uпи) уменьшается действие управляющего напряжения Uзи, т.е. при том же Uзи ток стока (Ic) становится меньше. Это отражается на положении стокозатворной характеристики: с ростом напряжения Uпи она смещается влево, увеличивая пороговое напряжение открытия транзистора. Возможность изменения состояния МОП-транзистора с помощью дополнительного напряжения, подаваемого на подложку, расширяет функциональные возможности этого прибора. 2.4 Способы включения полевого транзистораСпособы включения полевых транзисторов в электрическую схему на примере полевого транзистора с управляющим р – n-переходом и каналом р-типа показаны на рис. 7:  Рис. 7 Схемы включения полевых транзисторов: с общим истоком (ОИ); с общим стоком (ОС) – истоковый повторитель (ИП); с общим затвором (ОЗ) 2.5 Полевой транзистор как четырёхполюсникВ расчетах схем с полевыми транзисторами также используют параметры 4-полюсника: при малых сигналах наиболее удобна система g-параметров (рис. 8):  Рис. 8 Четырёхполюсник – расчётный эквивалент полевого транзистора Система уравнений, соответствующая 4-полюснику, имеет вид:  Коэффициенты данной системы имеют размерности проводимостей и являются универсальными параметрами, но для каждой из схем включения ПТ имеют свои значения. Для схемы ОИ: g11 – входная проводимость при U2 |