Сопротивление сток исток. Полевые транзисторы со встроенным каналом

5.1 Теоретические сведения

5.1.1 Типы полевых транзисторов, принцип действия, область применения

Полевые транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, в которых используется движение основных носителей заряда под воздействием продольного электрического поля через канал , электропроводностью которого можно управлять с помощью поперечного электрического поля. Область, из которой носители заряда выходят (истекают) в канал, называется истоком , а область, в которую они входят (стекают) – стоком . Напряжение, изменяющее электропроводность канала, прикладывается между управляющим электродом - затвором и истоком.

Структуры полевых транзисторов очень разнообразны. В большинстве из них канал представляет собой слаболегированный тонкий слой, расположенный либо непосредственно у поверхности полупроводникового кристалла, либо на некотором расстоянии от поверхности параллельно ей. Таким образом носители движутся вдоль поверхности. Исток и сток обычно сильнолегированные области.

Существуют три типа полевых транзисторов, различающихся физической структурой и способом управления проводимостью канала. В полевых транзисторах с изолированным затвором между металлическим затвором и каналом расположен слой диэлектрика так, что образуется структура металл – диэлектрик – полупроводник (МДП). По этой причине такие транзисторы называют также МДП-транзисторами . Поперечное электрическое поле, проникая через тонкий слой диэлектрика, управляет концентрацией носителей заряда в канале. В зависимости от способа изменения типа электропроводности на поверхности кристалла различают МДП-транзисторы с индуцированным и встроенным каналами. В транзисторах, изготовленных на основе кремния, в качестве диэлектрика обычно используется диоксид кремния SiO 2 , поэтому их обычно называют МОП-транзисторами .

В полевых транзисторах с управляющим переходом металл – полупроводник металлический электрод затвора образует с приповерхностным слоем канала выпрямляющий контакт, на который в рабочем режиме подается обратное напряжение. Оно изменяет толщину обедненного слоя контакта и тем самым управляет толщиной проводящей части канала, количеством носителей заряда в канале и током через него. В полевых транзисторах с управляющим p-n переходом в качестве затвора используется область противоположного типа проводимости по отношению к каналу, образующая с ним p-n переход, который в рабочем режиме имеет обратное включение. Напряжение на затворе изменяет толщину обедненного слоя управляющего p-n перехода и тем самым толщину проводящей части канала, число носителей заряда в нем и, следовательно, ток в канале.

Полевые транзисторы различают также по типу проводимости канала: с каналом p - или n -типа.

Характерным для всех полевых транзисторов является очень малый ток в цепи затвора, так как затвор либо изолирован, либо образует с каналом управляющий переход, включаемый в обратном направлении. Так как затвор в электрических схемах обычно является входным электродом, то полевой транзистор обладает высоким входным сопротивлением на постоянном токе (более 10 8 ÷ 10 10 Ом). В этом заключается важнейшее отличие полевых транзисторов от биполярных: во входной цепи последних (обычно базовой) протекает значительный ток при прямом напряжении на переходе эмиттер-база. Поэтому входное сопротивление биполярных транзисторов весьма мало (десятки – сотни Ом в схемах с общей базой и общим эмиттером).

В связи с указанным различием входных сопротивлений иногда говорят, что полевой транзистор – это прибор, управляемый напряжением (электрическим полем), а биполярный – прибор, управляемый током. В приборах, управляемых напряжением, напряжение на входном электроде прибора из-за высокого входного сопротивления R вх практически не зависит от параметров самого прибора и определяется ЭДС генератора входного сигнала, если R вх >> R ген , где R ген – внутреннее сопротивление генератора. В приборах, управляемых током, входной ток из-за малого входного сопротивления прибора слабо зависит от параметров прибора и определяется током генератора входного сигнала (при R вх << R ген ).

В настоящее время наибольшее применение находят транзисторы с изолированным затвором, прежде всего благодаря внедрению микроэлектроники. МОП-транзисторы широко используются в кремниевых сверхбольших интегральных схемах (СБИС): микропроцессорах, микроЭВМ, запоминающих устройствах большой информационной емкости, устройствах медицинской электроники и др. Мощные МОП-транзисторы применяются в переключающих схемах.

Транзисторы с управляющим переходом металл – полупроводник на арсениде галлия используются для создания сверхскоростных цифровых интегральных микросхем и в СВЧ-устройствах. Транзисторы с управляющим p-n переходом на кремнии используются в основном как низкочастотные дискретные приборы.

5.1.2 Полевой транзистор с управляющим p-n -переходом

5.1.2.1 Устройство и принцип действия

Полевые транзисторы с управляющим p-n -переходом могут быть изготовлены на основе кристалла полупроводника n - или p -типа.

Упрощенная структура кристалла полевого транзистора с управляющим p-n - переходом, изготовленного на основе полупроводника n-типа, показана на рисунке 5.1. Транзистор состоит из области n-типа и двух областей p -типа. Области p -типа электрически соединяются вместе и образуют затвор.

Рисунок 5.1 – структура полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

На границах раздела полупроводников n- и p- типа образуются обедненные слои (или области пространственного заряда (ОПЗ), поскольку в них присутствует нескомпенсированный заряд ионов примесей), обладающие высоким сопротивлением. Канал представляет собой часть полупроводниковой области n -типа, заключенную между p-n -переходами. Если к каналу подсоединить внешний источник постоянного напряжения, в канале создается продольное электрическое поле, под действием которого электроны в канале перемещаются в сторону положительного полюса источника.

Движение основных носителей заряда в канале за счет напряжения на стоке относительно истока U СИ обусловливает прохождение тока в канале и в цепи стока I С .

На затвор относительно истока подается напряжение U ЗИ , смещающее p-n переходы затвор – канал в обратном направлении. При увеличении напряжения источника U ЗИ обратное напряжение на p-n -переходах увеличивается, запирающие слои расширяются, уменьшая сечение канала. При этом электропроводность канала и проходящий через него ток уменьшаются. Таким образом, изменяя напряжение на затворе, можно управлять током, проходящим через канал полевого транзистора. При некотором напряжении на затворе может произойти смыкание областей объемного заряда, т. е. канал перекрывается. Напряжение на затворе (при U ЗИ = 0), при котором канал перекрывается, называется напряжением отсечки и обозначается U ЗИ отс .

эффективное управление сечением канала происходит в том случае, если запирающий слой p-n перехода располагается в основном в полупроводнике n -типа. Это достигается выбором концентрации доноров и акцепторов таким образом, чтобы выполнялось условие N А >> N Д . На высокую концентрацию акцепторов указывает знак «+» в обозначении p-области (p + ).

Когда U СИ не равно 0, в канале протекает ток стока I С . Если выбрать сечение канала на расстоянии x от истока, то падение напряжения на этом участке U(x ) будет пропорционально сопротивлению участка канала и току I С . В сечении x напряжение на управляющем p-n -переходе складывается из напряжений U ЗИ и U(x ) .

Напряжение U(x ) при изменении x от 0 до l (l – длина канала) изменяется от 0 до U СИ . По этой причине ширина запирающего слоя увеличивается, а сечение канала уменьшается при приближении к стоку (рисунок 5.1).

Таким образом, ширина канала, определяющая его сопротивление, и ток стока I С зависят от напряжений U ЗИ и U СИ . если начиная c некоторой точки x сумма напряжений U ЗИ и U(x ) будет равна, а затем превысит напряжение U ЗИ отс , произойдет перекрытие канала. В действительности полного перекрытия канала путем увеличения напряжения U СИ получить нельзя, поскольку само перекрытие является следствием прохождения тока стока. В результате автоматически устанавливается некоторая малая ширина канала.

На рисунке 5.2 показано условное графические обозначения полевого транзистора с управляющим p-n -переходом и схема включения с общим истоком.

а) б)

в)

Рисунок 5.2 –Условные графические обозначения полевого транзистора с управляющим p-n- переходом (а – с каналом n -типа, б – с каналом p -типа) и схема включения с общим истоком (в)

5.1.2.2 Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n -переходом

Статические выходные (стоковые) характеристики. Семейство стоковых характеристик полевого транзистора, выражающих зависимость I С = f (U СИ) при U ЗИ = const, изображено на рисунке 5.3. Рассмотрим стоковую характеристику, снятую при U ЗИ = 0.

Если бы сопротивление канала не зависело от проходящего через него тока стока I С , ток I С был бы связан с напряжением U СИ линейной зависимостью. Но ток I С создает на сопротивлении канала падение напряжения U(x ) , увеличивающее области объемного заряда переходов. Вследствие этого увеличение напряжения U СИ сопровождается уменьшением площади сечения канала и увеличением его сопротивления, что приводит к замедлению роста тока I С . При некотором напряжении на стоке, обозначаемом U СИ нас и называемом напряжением насыщения канал в области стока перекрывается. это происходит при |U СИ нас | = |U ЗИ от с |. Ток стока, при котором перекрывается канал, называют начальным и обозначают I С нач . Если к затвору полевого транзистора приложить напряжение U ЗИ , смещающее p-n -переход в обратном направлении, то перекрытие канала наступит при меньшем значении напряжения U СИ . Это объясняется тем, что к p-n переходу между затвором и стоком прикладывается обратное напряжение, равное |U ЗИ | + |U СИ |. Смыкание переходов произойдет при условии равенства этого суммарного напряжения напряжению отсечки:

|U " СИ нас | + |U " ЗИ | = |U ЗИ отс | = |U СИ нас |. (1)

Учитывая, что в полевых транзисторах с каналом n- типа U СИ > 0, а U ЗИ < 0 и U ЗИ отс < 0, из уравнения (1) получаем

|U " СИ нас | = |U СИ нас | – |U " ЗИ |. (2)

I C нач - - - - - - - -

Рисунок 5.3 – Семейство выходных (стоковых) характеристик полевого транзистора с управляющим p-n -переходом

Область стоковых характеристик, соответствующая напряжениям 0 < U СИ < U СИ нас , называется крутой или омической . Последнее название связано с тем, что дифференциальное сопротивление канала полевого транзистора в данной области определяется напряжением на затворе. Вследствие этого полевые транзисторы широко используются в качестве переменных резисторов, управляемых электрическим способом.

Участки стоковых характеристик, снятые при U СИ > U СИ нас , соответствуют перекрытию канала (или насыщению). При напряжении U СИ , большем напряжения перекрытия, увеличиваются длина перекрытой части канала и его сопротивление. Если бы длина перекрытой части канала линейно зависела от напряжения U СИ, то с его ростом пропорционально увеличивалось бы сопротивление канала, а проходящий через него ток стока оставался постоянным. На самом деле длина перекрытой части канала зависит от напряжения U СИ так же, как глубина проникновения области объемного заряда δ в канал, определяемая формулой

Согласно уравнению (3), длина перекрытой части канала и его сопротивление пропорциональны и увеличиваются с ростом напряжения U СИ более медленно. Поэтому в области перекрытия канала увеличение напряжения U СИ сопровождается небольшим возрастанием тока стока.

Стоковые характеристики полевого транзистора с управляющим p-n -переходом могут быть достаточно точно представлены аналитической зависимостью тока I С от напряжений U ЗИ , U СИ и U ЗИ отс :

для крутой области

; (4)

для пологой области

. (5)

Начальный ток стока I С нач и напряжение отсечки U ЗИ отс определяются размерами канала (L и b ) и физическими параметрами полупроводникового кристалла (подвижностью основных носителей, диэлектрической проницаемостью), а также законом распределения примесей в канале.

Статические характеристики передачи. Статическая вольт-амперная характеристика передачи, называемая также стокозатворной, проходной или характеристикой управления полевого транзистора, отображает зависимость I С = f (U ЗИ ) при U СИ = const в режиме перекрытия канала. Следовательно, эта характеристика описывается уравнением (5). Семейство характеристик передачи изображено на рисунке 5.4. Вид характеристики показывает, что при увеличении напряжения U ЗИ , смещающего p-n -переход в обратном направлении, ток стока уменьшается, а при U ЗИ = U ЗИ отс ток стока становится равным нулю. Таким образом характеристика передачи полевого транзистора может быть использована для определения напряжения отсечки.

U ЗИотс

Рисунок 5.4 – семейство передаточных (стокозатворных) характеристик полевого транзистора с управляющим p-n -переходом

5.1.3 МОП-транзисторы с индуцированным каналом

5.1.3.1 Устройство и принцип действия

Упрощенная структура МОП-транзистора с индуцированным каналом n -типа показана на рисунке 5.5. В полупроводнике p -типа, называемом подложкой , методом диффузии образованы две n + -области, не имеющие между собой электрического соединения. Одна из них называется стоком , другая – истоком . Эти области отделены друг от друга двумя включенными встречно p-n -переходами, образованными на границах n + - и p- областей. Поэтому если между стоком и истоком включить источник постоянного напряжения U СИ , то в цепи потечет очень малый ток, обусловленный обратным током p-n -переходов.

Рисунок 5.5 – структура МОП-транзистора с индуцированным каналом n -типа

Если к металлическому затвору приложить положительное напряжение относительно подложки, то под действием электрического поля начнется оттеснение дырок от поверхности полупроводника, расположенной напротив затвора, в глубину полупроводника. В результате этого концентрация дырок в приповерхностном слое уменьшается, а концентрация электронов увеличивается. При некотором значении внешнего напряжения на затворе концентрация электронов в этом слое может оказаться больше, чем концентрация дырок. Произойдет инверсия типа электропроводности. Слой с инверсной электронной электропроводностью, отделенный от полупроводника p -типа областью, обедненной свободными носителями заряда, соединяет n + - области стока и истока, т. е. служит каналом.

Если между стоком и истоком включить внешний источник напряжения U СИ , то при некотором значении напряжения на затворе, которое называется пороговым (U ЗИ пор ), в цепи сток – исток пойдет электрический ток. В канале транзистора этот ток обусловлен движением электронов. Так как электроны должны двигаться от истока к стоку, источник внешнего напряжения U СИ следует подключать положительным полюсом к стоку, а отрицательным – к истоку. Из-за падения напряжения на канале при прохождении по нему тока поперечное электрическое поле вблизи истока оказывается больше, чем вблизи стока, вследствие чего концентрация электронов в канале у истока больше, чем у стока. При увеличении положительного напряжения на затворе концентрация электронов в инверсном слое в будет увеличиваться. Это приведет к увеличению электропроводности канала и к росту тока стока. Режим работы полевого транзистора, при котором увеличение абсолютного значения напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока, называется режимом обогащения . Следовательно, МОП-транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения и поэтому их иногда называют полевыми транзисторами обогащенного типа .

На рисунке 5.6 даны условные графические обозначения МОП-транзисторов с индуцированным каналом.

Рисунок 5.6 Условное графическое обозначение МОП-транзистора с индуцированным каналом n -типа (а) и p -типа (б)

5.1.3.2 Статические характеристики МОП-транзисторов с индуцированным каналом

На рисунке 5.7 показаны статические выходные (стоковые) характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом n -типа. Эти характеристики снимаются при напряжениях на затворе, превышающих пороговое напряжение.

Рисунок 5.7 – Выходные (стоковые) характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом n -типа

Если бы с ростом напряжения U СИ концентрация электронов в индуцированном канала не изменялась, его сопротивление оставалось бы постоянным, а зависимость I C = f (U СИ) – линейной. Но вследствие протекания тока стока происходит падение напряжения вдоль канала, поэтому напряжение затвор-подложка уменьшается при движении от истока к стоку. Это приводит к тому, что концентрация электронов в канале у стока оказывается меньшей, чем у истока, и сопротивление канала растет с ростом напряжения U СИ. При некотором значении напряжения U СИ = U ЗИ – U ЗИпор , называемом напряжением насыщения, напряжение между затвором и подложкой вблизи стока становится меньше порогового, вследствие чего концентрация электронов в канале у стока становится равной нулю – происходит перекрытие канала и ограничение тока стока, как в транзисторах с управляющим p-n -переходом.

При увеличении напряжения U ЗИ стоковые характеристики смещаются вверх. Это обусловлено увеличением концентрации электронов в канале и, как следствие, его электропроводности.

Анализ показывает, что стоковые характеристики МДП-транзисторов описываются следующими аналитическими зависимостями:

в крутой области

в пологой области

Здесь – коэффициент (А/В) 2 , именуемый удельной крутизной. Как видно из формулы, она зависит от длины и ширины канала, материала диэлектрика и его толщины, а также от подвижности носителей в канале..

Статические характеристики передачи, или стокозатворные характеристики МОП-транзистора с индуцированным каналом, выражают зависимость I C = f (U ЗИ) при U СИ = const. Эти характеристики (рисунок 5.8) обычно приводятся для режима насыщения и описываются уравнением (7).

Рисунок 5.8 – Передаточные (стокозатворные) характеристики МОП-транзистора с индуцированным каналом n -типа.

5.1.4 МОП-транзисторы со встроенным каналом

5.1.4.1 Устройство и принцип действия

Рисунок 5.9 – структура МОП-транзистора со встроенным каналом n -типа

В МОП-транзисторах со встроенным каналом на стадии их изготовления между областями стока и истока технологическим путем создается тонкий приповерхностный слой (канал) с таким же типом электропроводности, что и электропроводность областей стока и истока (рисунок 5.9). Поэтому в таких транзисторах при нулевом напряжении на затворе включение источника постоянного напряжения между стоком и истоком сопровождается прохождением через канал некоторого тока, называемого начальным током стока. Увеличение положительного напряжения на затворе МДП-транзистора со встроенным каналом n -типа приводит к увеличению концентрации электронов в канале и увеличению тока стока. При подаче на затвор такого транзистора отрицательного напряжения происходит отток электронов в глубину полупроводника, концентрация электронов в канале и его электропроводность уменьшаются, что приводит к уменьшению тока стока. При некотором отрицательном напряжении на затворе, называемом напряжением отсечки (U ЗИ отс ) произойдет инверсия типа электропроводности канала, и n -области стока и истока окажутся разделенными областью полупроводника p -типа. Ток стока уменьшится до значения, определяемого обратным током p-n -перехода.

Режим работы полевого транзистора, при котором увеличение по абсолютной величине напряжения на затворе приводит к уменьшению тока стока, называется режимом обеднения . Следовательно, МОП-транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения и называются полевыми транзисторами обедненного типа .

На рисунке 5.10 даны условные графические обозначения МОП-транзисторов со встроенным каналом.

Рисунок 5.10 Условное графическое обозначение МОП-транзистора со встроенным каналом n -типа (а) и p -типа (б)

5.1.4.2 Статические характеристики МОП-транзисторов со встроенным каналом

Режим обогащения

Режим обеднения

Рисунок 5.11 – Выходные (стоковые) характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n -типа

Выходные (стоковые) статические характеристики МОП-транзисторов со встроенным каналом отличаются от аналогичных характеристик МОП-транзисторов с индуцированным каналом тем, что содержат характеристики, снятые как при отрицательных, так и при положительных напряжениях на затворе (рисунок 5.11). На характеристиках заметно выражены две области: крутая, соответствующая неперекрытому каналу, и пологая, соответствующая перекрытому каналу, или режиму насыщения тока стока. Наклон характеристик и сопротивление канала транзистора в крутой области определяются напряжением на затворе. Ток стока в МДП-транзисторах со встроенным каналом связан с напряжениями U СИ , U ЗИ , U ЗИ отс такими же аналитическими зависимостями (4) и (5), как в полевых транзисторах с управляющим p-n -переходом.

передаточные (стокозатворные) характеристики МОП-транзистора со встроенным каналом отличаются от аналогичных характеристик полевых транзисторов других типов тем, что имеют участки при положительных и отрицательных напряжениях на затворе. На рисунке 5.10 показаны передаточные характеристики МОП-транзистора со встроенным каналом n -типа. Увеличение положительного напряжения на затворе приводит к увеличению концентрации электронов в канале и увеличению тока стока, а увеличение отрицательного напряжения на затворе сопровождается уменьшением концентрации и снижением тока стока. При U ЗИ = U ЗИ отс транзистор запирается и I С = 0. Аналитическая зависимость тока стока от напряжений U ЗИ и U ЗИ отс в МОП-транзисторах со встроенным каналом определяется выражением (5).

Режим обеднения Режим обогащения

U ЗИотс

Рисунок 5.12 – Передаточные (стокозатворные) характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n -типа

5.1.5 Полевой транзистор как линейный четырехполюсник. Дифференциальные параметры полевых транзисторов

В режимах работы с малыми амплитудами сигнала ПТ любого типа, как и биполярный транзистор, можно представить в виде линейного четырехполюсника. Из-за высокого входного сопротивления полевых транзисторов наиболее подходящей как с позиций измерений, так и использования является система y -параметров. В этой системе токи затвора и стока рассматриваются как функции напряжений U ЗИ и U СИ :

I З = f (U ЗИ, U СИ); I С = f (U ЗИ, U СИ).

Уравнения четырехполюсника имеют вид:

Если заменить малые комплексные амплитуды бесконечно малыми приращениями, то из этих формул можно получить выражения для полных дифференциалов токов:

; (8)

. (9)

Частные производные в уравнениях (8) и (9) являются дифференциальными g -параметрами полевого транзистора; g -параметры – это вещественные части соответствующих y -параметров.

5.1.5.1. Проводимость прямой передачи или крутизна стокозатворной характеристики

U СИ = const.

Она показывает, на сколько миллиампер (ампер) изменяется ток стока, если при постоянном U СИ напряжение на затворе меняется на 1В. Крутизна позволяет сравнить транзисторы по их управляющим свойствам. Значения S лежат в пределах от 0,5 мА/В до нескольких ампер на вольт и в значительной мере определяются отношением ширины канала b к его длине l (с ростом b/l крутизна растет) и подвижностью носителей заряда. Так как подвижность электронов больше подвижности дырок, то при одинаковых размерах и разности напряжений U ЗИ – U пор крутизна n -канальных транзисторов выше, чем p -канальных.

В МОП-транзисторах для повышения крутизны необходимо уменьшать толщину подзатворного диэлектрика.

5.1.5.2. Выходная проводимость

U ЗИ = const.

Наиболее часто используется не выходная проводимость, а выходное (внутреннее) сопротивление

R i = 1 /g 22 и =

U ЗИ = const.

Внутреннее сопротивление составляет от нескольких десятков до сотен килоом.

5.1.5.3. Статический коэффициент усиления по напряжению

I С = const

Он показывает, во сколько раз изменение напряжения на затворе больше влияет на ток стока, чем изменение напряжения на стоке. Значение μ у может достигать нескольких сотен.

Дифференциальные параметры можно определить по статическим характеристикам транзистора (рисунки 8 и 9), используя формулы:

; ; .

U СИ = const U ЗИ = const

Поскольку характеристики полевых транзисторов нелинейны, значения дифференциальных параметров зависят от положения выбранной рабочей точки (режима по постоянному току), т. е. значений напряжений U СИ и U ЗИ .

5.2 Цель работы

Научиться определять статические и дифференциальные параметры ПТ.

5.3 Задачи

Для достижения поставленной цели вам необходимо решить следующие задачи:

– провести измерения и построить статические вольт-амперные характеристики (ВАХ) МОП-тразистора или ПТ с управляющим p-n-переходом (по заданию преподавателя);

– определить статические параметры ПТ;

5.4 Порядок работы и методы решения задач

5.4.1 Из справочника /1/ выпишите кратко основные электрические параметры исследуемого ПТ, выполните эскиз внешнего вида со схемой расположения выводов, зарисуйте условное графическое обозначение /5/, расшифруйте маркировку ПТ.

Изобразите схему включения ПТ с общим истоком в активном режиме /2, раздел 6.1/, укажите токи и напряжения во входной и выходной цепях. Дайте эскиз структуры ПТ.

5.4.2 С помощью лабораторного макета, передняя панель которого с элементами управления и контроля режимов ПТ показана на рисунке 6.1, проведите измерения статических выходных и передаточных характеристик ПТ /2, раздел 6.3, 3, разделы 6.1, 6.5/.

Измерение статических ВАХ с помощью лабораторного макета производится по точкам методом вольтметра-амперметра.

Принципиальная электрическая схема измерительного макета приведена на рис. 6.2.

Определите по справочнику /1/ тип проводимости канала исследуемого вами ПТ и переведите ключи измерения полярности напряжения на стоке и затворе в положение, соответствующее его работе в активном режиме (см. рисунок 6.1). Подключите испытуемый ПТ к измерительному блоку.

При измерении выходных ВАХ ПТ необходимо задавать различные напряжения на стоке и измерять соответствующие им токи стока. Напряжение на стоке меняйте от нуля до 10 В.

Выходную характеристику ПТ измерьте четыре раза при постоянных напряжениях на затворе U зи = 0; 0,25; 0,5 и 1,0 В.

При измерении передаточной характеристики ПТ необходимо задавать различные напряжения на затворе и измерять соответствующие им значения тока стока при условии постоянства напряжения между стоком и истоком.

Напряжение на затворе меняйте от нуля до значений, при которых I с » 0.

Передаточную характеристику измерьте четыре раза при постоянных напряжениях на стоке U си = 0,5; 1,0; 5,0 и 10 В.

5.4.3 Используя результаты полученных измерений, постройте семейства выходных и передаточных характеристик ПТ.

5.4.4 По статическим ВАХ ПТ определите его статические параметры и укажите их на графиках /3, разделы 6,1 и 6.5; 4/:

– начальный ток стока I с нач при U СИ = 10 В;

– напряжение отсечки U зи отс или пороговое напряжение U ЗИ пор (в зависимости от типа транзистора) при I С = 0,01 мА;

– напряжение насыщения U си нас при U зи = 0; 0,25; 0,5 и 1,0 В.

На основе построенных статических ВАХ ПТ рассчитайте его дифференциальные параметры /2, раздел 6.5; 4/ методом графического дифференцирования:

– активную составляющую g 22и полной выходной проводимости ПТ при U си = 10 В; U зи = 0;

– крутизну характеристики S при U зи = 0 и при напряжениях U си = 0,5; 1,0; 5,0 и 10 В;

– коэффициент усиления m при U з и = 0 и U си = 10 В.

Постройте зависимость крутизны S от напряжения U си .

При расчете дифференциальных параметров ПТ методом графического дифференцирования величины приращений токов и напряжений на электродах ПТ необходимо выбирать такими, чтобы в пределах этих приращений участок статической ВАХ ПТ оставался линейным.

Отчет о работе должен содержать результаты измерений и вычислений по всем пунктам задания.

Для успешной защиты выполненной работы вы должны знать принцип работы ПТ с управляющим p-n-переходом, его основные статические и дифференциальные параметры, уметь их определять, уметь пояснить ход статических ВАХ, сравнить с другими типами усилительных приборов.

Рисунок 5.13 – Лицевая панель измерителя статических характеристик полевых транзисторов

Рисунок 5.14 – принципиальная электрическая схема измерителя статических характеристик полевых транзисторов

Литература

1 Аксенов А. И. Отечественные полупроводниковые приборы. Транзисторы биполярные. Диоды. Варикапы. Стабилитроны и стабисторы. Тиристоры. Оптоэлектронные приборы. Аналоги отечественных и зарубежных приборов: Справ. изд. – 6-е изд., доп. и испр. – М.: Солон-Пресс, 2008.–589 с.: ил.

2 Шишкин Г. Г. Электроника: Учеб. для вузов / Г. Г. Шишкин, А. Г. Шишкин. – М. : Дрофа, 2009. – 703 с. : ил.

3 Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учеб. пособие. – 8-е изд., испр. – СПб.: Лань, 2006. – 480 с.: ил.

4 ГОСТ 19095-73. Транзисторы полевые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров.

5 ГОСТ 2.730-73. Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые.

Приложение А

(обязательное )

Пример оформления отчета по лабораторной работе

Титульный лист отчета

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого»

Институт электронных и информационных систем

_______________________________________________________________

Кафедра физики твердого тела и микроэлектроники

Термистор

Лабораторная работа по учебной дисциплине

“Электротехника и электроника: электроника” по направлению 210300 – Радиотехника

Преподаватель

Ст. преподаватель КФТТМ

Г.В. Гудков

Студент гр. _________

В.В.Алексеев

“. . .”. . . . . . . . . . 2012 г.

1 Цель работы

Научиться определять основные статические и дифференциальные параметры термистора.

– ознакомиться со справочными данными термистора;

– провести измерения вольтамперной характеристики и зависимости сопротивления от температуры;

3 Определение

Термистор - это полупроводниковый объемный резистор с большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

4 Практическая часть

Справочные данные термистора КМТ-17б /1/:

конструкция условное графическое обозначение

Маркировка: КМТ-17б. Кобальто-марганцевый (КМ) терморезистор (Т), тип конструкции 17б (дисковый).

Основные параметры:

– пределы номинального сопротивления R ном = 0,3¸20 кОм;

– максимальная мощность рассеяния Р макс = 500 мВт;

– интервал рабочих температур t = -60¸155 °С;

– температурный коэффициент сопротивления a R > 4,2 %/К;

– коэффициент рассеяния Н = 10 мВт/К;

– коэффициент температурной чувствительности В > 3600 К;

– постоянная времени t = 30 с.

Измерение вольтамперной характеристики и температурной зависимости сопротивления термистора

Рисунок А1 - Принципиальная электрическая схема для измерения

характеристик и параметров терморезисторов

Таблица А1 - Вольтамперная характеристика термистора КМТ-17б

Рисунок А2 Рисунок А3

4.3 Расчет параметров термистора КМТ-17б

Температурный коэффициент сопротивления (рисунок А3):

Коэффициент температурной чувствительности:

4.4 Применение термистора

Термисторы применяются в качестве датчиков при измерении и регулировании температуры, измерении мощности на СВЧ, для температурной сигнализации и т.п.

Литература

Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учеб. пособие. – 8-е изд., испр. – СПб.: Лань, 2006. – 480 с.: ил.

Устройство полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом показано на рис. 4.6. Он представляет собой монокристалл полупроводника; обычно кремния, где создана электропроводность какого-либо типа, в рассматриваемом случае p -типа. В нем созданы две области с электропроводностью противоположного типа (в нашем случае n -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 , а на нем методом напыления наносится тонкая металлическая пленка, от которой также делается электрический вывод – затвор. Иногда от основания (называемого подложкой (П)) также делается вывод, который накоротко соединяют с истоком.

Рис. 4.6. Структура полевого транзистора с изолированным затвором со встроенным каналом n -типа

Если в отсутствии напряжения на затворе приложить между истоком и стоком напряжение любой полярности, то через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов. Через подложку ток не потечет, так как один из p-n -переходов будет находится под действием обратного напряжения.

При подаче на затвор отрицательного напряжения относительно истока, а следовательно и кристалла, в канале возникает поперечное электрическое поле, которое будет выталкивать электроны из области канала в основание. Канал обедняется основными носителями – электронами, его сопротивление увеличивается, и ток стока уменьшается. Чем больше отрицательное напряжение на затворе, тем меньше этот ток. Такой режим называется режимом обеднения .

При подаче на затвор положительного напряжения, относительно истока, направление поперечного электрического поля изменится на противоположное, и оно будет, наоборот, притягивать электроны из областей истока и стока, а также из кристалла полупроводника. Проводимость канала увеличивается, и ток стока возрастает. Такой режим называется режимом обогащения .

Рассмотренный транзистор, таким образом, может работать как в режиме обеднения, так и режиме обогащения токопроводящего канала, что иллюстрируют его выходные характеристики (рис. 4.7, а) и характеристика управления (рис. 4.7, б).

Выходные характеристики МДП-транзистора подобны выходным характеристикам полевого транзистора с управляющим p-n -переходом. Это объясняется тем, что при увеличении напряжения от нуля, сначала действует закон Ома и ток растет практически прямо пропорционально напряжению, а затем при некотором напряжении канал начинает сужаться, в большей мере возле стока, т. к. на p-n -переходе между каналом и кристаллом увеличивается обратное напряжение, область этого перехода, обедненная носителями, расширяется, и сопротивление канала увеличивается. В результате этого ток стока испытывает два взаимно противоположных процесса и остается практически постоянным до такого напряжения при котором наступает электрический пробой.

Рис. 4.7. Статические характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n -типа

Если кристалл полупроводника полевого транзистора имеет электропроводность n -типа, токопроводящий канал должен быть p -типа. При этом полярность напряжений необходимо изменить на противоположную.

Полевые транзисторы со встроенным каналом на электрических схемах изображают условными графическими обозначениями, приведенными на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Условные графические обозначения МДП-транзистора со встроенным каналом n -типа (а) и p -типа (б)

Устройство такого транзистора показано на рис 4.9. От предыдущего транзистора он отличается тем, что у него нет встроенного канала между областями истока и стока. При отсутствии напряжения на затворе ток между истоком и стоком не потечет ни при какой полярности напряжения, так как один из p-n -переходов будет обязательно заперт.

Если подать на затвор напряжение положительной полярности относительно истока, то под действием возникающего поперечного электрического поля электроны из областей истока и стока, а также из областей кристалла, будут перемещаться в приповерхностную область по направлению к затвору. Когда напряжение на затворе превысит некоторое пороговое значение, то в приповерхностном слое концентрация электронов повысится настолько, что превысит концентрацию дырок в этой области и здесь произойдет инверсия типа электропроводности, т. е. образуется тонкий канал n -типа и в цепи стока появится ток. Чем больше положительное напряжение на затворе, тем больше проводимость канала и больше ток стока.

Таким образом, такой транзистор может работать только в режиме обогащения. Вид его выходных характеристик и характеристики управления показан на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом n -типа

Если кристалл полупроводника имеет электроприводность n -типа, то области истока и стока должны быть p -типа. Такого же типа проводимости будет индуцироваться и канал, если на затвор подавать отрицательное напряжение относительно истока.

Графическое изображение полевых транзисторов с изолированным затвором показано на рис 4.11.

Рис. 4.11. Условные графические обозначения МДП-транзистора индуцированным каналом n -типа (а) и p -типа (б)

В последнее время МДП-транзисторы всё чаще обозначают термином, заимствованным из зарубежной литературы, – MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ).

Полевой транзистор с изолированным затвором это полупроводниковый прибор, в котором управляющий электрод отделен от токопроводящего канала слоем диэлектрика.
В отличие от полевого транзистора с управляющим p n-переходом входное сопротивление полевого транзистора с изолированным затвором остается очень большим при любой полярности поданного на вход напряжения.
Полевые транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения канала свободными носителями заряда.
Полевые транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения.
Основными достоинствами полевого транзистора являются его большое сопротивление по постоянному току и высокая технологичность. Последнее обусловливает широкое применение полевых транзисторов при разработке микросхем.

МДП-транзисторы и биполярные транзисторы выполнят одинаковые функции: работают в схеме, или в качестве линейного усилителя, или в качестве ключа. В табл. 4.1 приведено краткое обещающее сравнение транзисторов этих двух типов.

Таблица 4.1

Свойства биполярных и МДП-транзисторов

В настоящее время полевые транзисторы вытесняют биполярные в ряде применений. Это связано с тем, что, во-первых, управляющая цепь полевых транзисторов потребляет ничтожную энергию, т. к. входное сопротивление этих приборов очень велико. Как правило, усиление мощности и тока в МДП-транзисторах много больше, чем в биполярных. Во-вторых, вследствие того, что управляющая цепь изолирована от выходной цепи, значительно повышаются надежность работы и помехоустойчивость схем на МДП-транзисторах. В-третьих, МДП-транзисторы имеют низкий уровень собственных шумов, что связано с отсутствием инжекции носителей заряда. В-четвертых, полевые транзисторы обладают более высоким быстродействием, т. к. в них нет инерционных процессов накопления и рассасывания носителей заряда. В результате мощные МДП-транзисторы все больше вытесняют биполярные транзисторы там, где требуется высокое быстродействие и повышенная надежность работы.

Однако МДП-транзисторы имеют и недостатки. Во-первых, вследствие высокого сопротивления канала в открытом состоянии МДП-транзисторы имеют большее падение напряжения, чем падение напряжения на насыщенном биполярном транзисторе. Во-вторых, МДП-транзисторы имеют существенно меньшее значение предельной температуры структуры, равное 150°C (для биполярных транзисторов 200°C).

Подключение p-области транзистора к истоку создает еще один дополнительный элемент - обратновключенный диод. Поэтому МДП-транзистор проектируют таким образом, что бы данный диод соответствовал аналогичным показателям МДП-транзистора и имел малое время восстановления запирающих свойств.

Поверхность подложки между стоком и истоком покрывается пленкой диэлектрика, на которую сверху наносится металлический электрод - затвор .

По структуре используемых материалов -Металл-Диэлектрик-Полупроводник - полевые транзисторы с изолированным затвором также называют МДП транзисторами.

Полевые транзисторы в основном изготавливаются на основе кристалла кремния, при этом диэлектрическая пленка под электродом затвора создается окислением поверхности подложки. То есть получается следующая структура затвора-Металл-Окисел-Полупроводник - и транзисторы с изолированным затвором называют МОП транзисторами.

Наличие встроенного проводящего канала (как и для случая полевого транзистора с правляющим электронно-дырочным переходом рассматривается схема включения с общим истоком) приводит к тому, что при нулевом напряжении на затворе существует некоторый начальный ток стока (ток

).

Уменьшение напряжения на затворе приводит к снижению концентрации носителей заряда в канале и, соответственно, к снижению тока стока.

Увеличение напряжения на затворе вызывает повышение концентрации свободных носителей заряда в канале и рост тока стока.

Соответственно транзистор работает в режиме обеднения (

), либо в режиме обогащения (

).

Статические выходные характеристики и характеристики передачи полевого транзистора со встроенным -каналам приведены на рис. и рис. соответственно.

При некотором значении напряжения на затворе, получившем название порогового, под затвором возникает слой с определенной концентрацией электронов (инверсный слой). Тем самым образуется канал между истоком и стоком и в цепи стока начинает протекать ток, обусловленный движением электронов.

Дальнейшее увеличение напряжения на затворе (

) приводит как к увеличению поперечного сечения канала, так и концентрации электронов в нем и, следовательно, тока стока.

Ток затвора очень мал, так как он определяется током утечки через диэлектрик.

Выходные статические характеристики транзистора с индуцированным каналам аналогичны характеристикам транзистора с управляющим электронно-дырочным переходом (рис.). Статические характеристики передачи полевых транзисторов с индуцированным каналом начинаются со значения

.

Общим для полевых транзисторов является их высокое входное сопротивление постоянному и переменному току, малый уровень шумов, нелинейность (квадратичность) характеристики передачи, практически полное разделение входной и выходной цепей, отсутствие эффекта накопления неосновных носителей.

Среди полевых транзисторов наиболее стабильны, имеют более низкий уровень шумов транзисторный с управляющим электронно-дырочным переходом.

При работе полевых транзисторов в режиме усиления используются участки выходных вольт-амперных характеристик в области насыщения. Полевые транзисторы характеризуются следующими малосигнальными параметрами:

Малосигнальные параметры полевых транзисторов связаны следующим соотношением:

Типичные значения коэффициента усиления полевых транзисторов составляют 50-200.

Система обозначений для полевых транзисторов установлена ОСТ 11336-919-81. В основу системы обозначений положен буквенно-цифровой код. Для полевых транзисторов второй элемент кода –букваП .

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток создаётся только основными носителями зарядов под действием продольного электрического поля, а управляющее этим током осуществляется поперечным электрическим полем, которое создаётся напряжением, приложенным к управляющему электроду.

Несколько определений:

Вывод полевого транзистора, от которого истекают основные носители зарядов, называется истоком.

Вывод полевого транзистора, к которому стекают основные носители зарядов, называется стоком.

Вывод полевого транзистора, к которому прикладывается управляющее напряжение, создающее поперечное электрическое поле называется затвором.

Участок полупроводника, по которому движутся основные носители зарядов, между p-n переходом, называется каналом полевого транзистора.

Поэтому полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналом p-типа или n-типа.

Принцип действия рассмотрим на примере транзистора с каналом n-типа.

1) Uзи = 0; Ic1 = max;

2) |Uзи| > 0; Ic2 < Ic1

3) |Uзи| >> 0; Ic3 = 0

На затвор всегда подаётся такое напряжение, чтобы переходы закрывались. Напряжение между стоком и истоком создаёт продольное электрическое поле, за счёт которого через канал движутся основные носители зарядов, создавая ток стока.

1) При отсутствии напряжения на затворе p-n переходы закрыты собственным внутренним полем, ширина их минимальна, а ширина канала максимальна и ток стока будет максимальным.

2) При увеличении запирающего напряжения на затворе ширина p-n переходов увеличивается, а ширина канала и ток стока уменьшаются.

3) При достаточно больших напряжениях на затворе ширина p-n переходов может увеличиться настолько, что они сольются, ток стока станет равным нулю.

Напряжение на затворе, при котором ток стока равен нулю, называется напряжением отсечки.

Вывод: полевой транзистор представляет собой управляемый полупроводниковый прибор, так как, изменяя напряжение на затворе, можно уменьшать ток стока и поэтому принято говорить, что полевые транзисторы с управляющими p-n переходами работают только в режиме обеднения канала.

Чем объяснить высокое входное сопротивление полевого транзистора?

Т.к. управление полевым транзистором осуществляется электрическим полем, то в управляющем электроде практически нет тока, за исключением тока утечки. Поэтому полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление, порядка 10 14 Ом.

От чего зависит ток стока полевого транзистора?

Зависит от подаваемых напряжений U си иU зи.

Схемы включения полевых транзисторов.

Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).

На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком даёт очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не даёт усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение в усилительной технике.

В чем отличие полевого транзистора от биполярного?

В полевом транзисторе управление током осуществляется электрическим полем, создаваемым приложенным напряжением, а не с помощью тока базы. Поэтому в управляющем электроде практически нет тока, за исключением токов утечки.

Статический режим включения транзистора. Статические характеристики полевых транзисторов.

К основным характеристикам относятся:

Стокозатворная характеристика (рис. а) – это зависимость тока стока (Ic) от напряжения на затворе (Uси) для транзисторов с каналом n-типа.

Стоковая характеристика (рис. б) – это зависимость Ic от Uси при постоянном напряжении на затворе Ic = f (Uси) при Uзи = Const.

Основные параметры:

Напряжение отсечки.

Крутизна стокозатворной характеристики. Она показывает, на сколько миллиампер изменится ток стока при изменении напряжения на затворе на 1 В.

Внутреннее сопротивление (или выходное) полевого транзистора

Входное сопротивление

Поясните влияние на ток стока напряжений U зи и U си .

Влияние подводимых напряжений в транзисторе в управляемом иллюстрируется на рисунке:

Три основных рабочих режима транзистора.

В различных видах полевых транзисторов и при различных внешних напряжениях затвор может оказывать два вида воздействий на канал: в первом случае (например, в полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом при напряжениях на электродах, соответствующих рис. 2-1.5) он препятствует протеканию тока через канал, уменьшая число носителей зарядов, проходящих через него (такой режим называют режимом обеднения канала ), во втором случае (например, в МДП-транзисторах с индуцированным каналом, включенных в соответствии с рис. 2-1.7) затвор, наоборот, стимулирует протекание тока через канал, увеличивая число носителей зарядов в потоке (режим обогащения канала ). Часто просто говорят орежиме обеднения ирежиме обогащения . Заметим, что МДП-транзисторы с индуцированным каналом могут находиться в активном режиме только в случае режима обогащения канала, а для МДП-транзисторов со встроенным каналом это может быть и режим обогащения, и режим обеднения. В полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом попытка приложить прямое смещение на этот переход вызывает его открытие и протекание существенного тока в цепи затвора. Реальные процессы в транзисторе в этом случае сильно зависят от его конструкции, практически никогда не документируются и трудно предсказуемы. Поэтому говорить о режиме обогащения для полевых транзисторов с управляющим переходом не принято да и просто бессмысленно.

Режим насыщения - характеризует состояние не всего транзистора в целом, как это было для биполярных приборов, а только токопроводящего канала между истоком и стоком. Данный режим соответствует насыщению канала основными носителями зарядов. Такое явление какнасыщение является одним из важнейших физических свойств полупроводников. Оказывается, что при приложении внешнего напряжения к полупроводниковому каналу, ток в нем линейно зависит от этого напряжения лишь до определенного предела (напряжение насыщения ), а по достижении этого предела стабилизируется и остается практически неизменным вплоть до пробоя структуры. В приложении к полевым транзисторам это означает, что при превышении напряжением сток-исток некоторого порогового уровня оно перестает влиять на ток в цепи. Если для биполярных транзисторов режим насыщения означал полную потерю усилительных свойств, то для полевых это не так. Здесь наоборот, насыщение канала приводит к повышению коэффициента усиления и уменьшению нелинейных искажений. До достижения напряжением сток-исток уровня насыщения ток через канал линейно увеличивается с ростом напряжения (т.е. ведет себя так же, как и в обычном резисторе). Автору неизвестно какого-либо устоявшегося названия для такого состояния полевого транзистора (когда ток через канал идет, но канал ненасыщен), будем называть егорежимом ненасыщенного канала (он находит применение в аналоговых ключах на полевых транзисторах). Режим насыщения канала обычно является нормальным при включении полевого транзистора в усилительные цепи, поэтому в дальнейшем при рассмотрении работы транзисторов в схемах мы не будем делать особого акцента на этом, подразумевая, что между стоком и истоком транзистора присутствует напряжение, достаточное для насыщения канала.

Чем характеризуется ключевой режим работы транзистора?

Ключевым называют такой режим работы транзистора, при котором он может быть либо полностью открыт, либо полностью закрыт, а промежуточное состояние, при котором компонент частично открыт, в идеале отсутствует. Мощность, которая выделяется в транзисторе, в статическом режиме равна произведению тока, протекающего через выводы сток-исток, и напряжения, приложенного между этими выводами.

В идеальном случае, когда транзистор открыт, т.е. в режиме насыщения, его сопротивление межу выводами сток-исток стремится к нулю. Мощность потерь в открытом состоянии представляет произведение равного нулю напряжения на определённую величину тока. Таким образом, рассеиваемая мощность равна нулю.

В идеале, когда транзистор закрыт, т.е. в режиме отсечки, его сопротивление между выводами сток-исток стремится к бесконечности. Мощность потерь в закрытом состоянии есть произведение определённой величины напряжения на равное нулю значение тока. Следовательно, мощность потерь равна нулю.

Выходит, что в ключевом режиме, в идеальном случае, мощность потерь транзистора равна нулю.

Что называют усилительным каскадом?

Соединение нескольких усилителей, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала. Подразделяют на каскады предварительного усиления и выходные каскады. Первые предназначены для повышения уровня сигнала по напряжению, а выходные каскады – для получения требуемых тока или мощности сигнала.

История создания и реализации полевых транзисторов

Первый полевой транзистор был изобретен Юлий Эдгаром Лилиенфельдом – австро-венгерским ученым-физиком, посвятившим большую часть жизни изучению транзисторного эффекта. Случилось это в 1928 году, однако первая технология изготовления транзисторов не позволяла физически реализовать этот радиоэлемент в промышленности. Первый работающий полевой транзистор с изолированным затвором, согласно трудам Лилиенфельда, произвели в США лишь в 1960 году. За 7 лет до этого была предложена другая технология изготовления полевого транзистора на базе управляющего p-n перехода (МОП транзистор). На основе трудов Вальтера Шоттки в 1966 году американский инженер Карвер Андресс Мид предложил новый тип транзисторов с использованием барьера Шоттки. В 1977 году было установлено, что применение полевых транзисторов в вычислительной технике значительно повышает расчетные мощности электронных устройств, что положило начало разработок компьютерных процессоров и логических микросхем на основе полевого транзистора. Более корректным названием полевого транзистора является униполярный транзистор (управляемый одним электрическим полем), однако в народе это название не прижилось.

Физические основы работы полевого транзистора

Полевым (униполярным) транзистором называют электронное устройство, в основе которого лежит принцип использования зарядов только одного знака, т.е. электронов или дырок. Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала под действием электрического поля, а не потенциала напряжения, что является основным отличием полевого транзистора от биполярного. По способу создания канала различают полевые транзисторы с p-n переходом, встроенным каналом и индуцированным каналом. Транзисторы с встроенным и индуцированным каналом так же относятся к разновидности МДП транзисторов.

Устройство полевого транзистора

а – с p-n переходом; б – с изолированным затвором и встроенным каналом; в – с изолированным затвором и индуцированным каналом.

Работа полевых транзисторов основана на движении основных носителей в полупроводнике.

Полевой транзистор с p-n переходом.

Данный транзистор состоит из основного канала полупроводника n-типа, изготовленного из пластины кремния с омическими выводами с каждого конца. Канал образован методом диффузии (введением легированного материала) и образует тончайший слой с дырочной проводимостью. Канал заключен между двумя электродами p-типа, соединенными между собой. Таким образом, n-канал образует два p-n перехода, расположенных параллельно направлению тока. Вывод, через который поступают носителя заряда, называют истоком (И), а электрод, откуда заряд вытекает – стоком (С). Оба p-слоя электрически связаны между собой и имеют внешний электрод, называемый затвором (З). Существуют два типа канала. Положительный заряд протекает через канал с p проводимостью, а отрицательный заряд проходит через канал с n проводимостью. На рисунке ниже представлен полевой канал с отрицательной проводимостью, управляемый полем положительной полярности. В данном случае через канал от истока к стоку передвигаются электроны. Подобную конструкцию имеют и полевые транзисторы с каналом p типа.

Управляющее или входное напряжение (Uзи) подается между затвором и истоком. Это напряжение для обоих p-n переходов является обратным. В выходную цепь, в которую так же входит канал транзистора, подключается напряжение Uси положительным полюсом к стоку.

Способность управления транзистором объясняется тем фактором, что при изменении напряжения Uзи будет изменяться ширина p-n переходов, которые представляют собой участки в полупроводнике, которые обеднены носителями заряда. Так как p-слой c меньшим сопротивлением имеет большую концентрацию примесей по сравнению с n-слоем, то управление изменением ширина канала происходит за счет более высокоомного n-слоя. При этом изменяется сечение, и проводимость токопроводящего канала (Ic – ток стока) от истока к стоку.

Особенность работы полевого транзистора заключается во влиянии напряжения Uзи и Uси на проводимость канала. Влияние подводимых напряжений отображает рисунок ниже.

На рисунке:

А) напряжение прикладывается только к входной управляющей цепи. Изменение Uзи управляет сечением канала по всей ширине, однако, выходной ток Ic=0 из-за отсутствия напряжения Uси.

Б) Присутствует только напряжение канала, управляющее напряжение отсутствует и начинает протекать ток Ic. Создается падение напряжения на стоковом электроде, в результате пропускная способность канала сужается и при некотором значении границы p-n переходов смыкаются. Повышается внутреннее сопротивление канала и ток Ic далее не способен проходить.

В) В этом варианте на рисунке показано суммарное значение напряжений, когда канал напряжения Uси заперт малым управляющим напряжением Uзи. При подаче этого напряжения происходит расширение n области и начинает протекать ток Ic.

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП и МОП)

В этих транзисторах затворный электрод отделен от канала тонким изолирующим слоем из окиси кремния. Отсюда другое название этих транзисторов – МОП-транзисторы (структура металл – окисел - полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов. Проникновения управляющего поля в канал не затруднено, но ток затвора сильно уменьшается и не зависит от полярности приложенного напряжения к затвору. МДП-транзисторы (структура металл – диэлектрик - полупроводник) выполняют из кремния. Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.

Каналы полевых МДП транзисторов могут быть обедненного (б - встроенный канал) и обогащенного типа (в - индуцированный канал), (см. рисунок устройства полевого транзистора).

По встроенному каналу течет ток Iс при отсутствии напряжения Uзи. Его значением можно управлять в сторону уменьшения, подав положительное напряжение Uзи, если транзистор с p-каналом и отрицательное напряжение, если транзистор с n-каналом. Другими словами – закрыть транзистор управляющим обратным напряжением.

В индуцированном канале, если отсутствует напряжение Uзи ток между стоком и истоком очень мал. При подаче управляющего напряжения ток Iси увеличивается.

Итак, управляющее напряжение при его подаче на затвор транзистора с встроенным каналом – закрывает транзистор, в индукционном канале - открывает транзистор.

Вольт - амперная и сток - затворная характеристики полевого транзистора

ВАХ полевого транзистора определяет его выходные (стоковые) характеристики, а так же содержит информацию о его свойствах в различных режимах работы. Кроме того ВАХ отображает связь параметров между собой. По графику можно определить некоторые параметры, не документированные в описании к транзистору, произвести расчеты уровня напряжения цепей смещения (Uзи), стабилизацию режима, а так же дать оценку работы полевого транзистора в широком диапазоне токов и напряжений.

На рисунке слева показан пример стоковой характеристики полевого транзистора с p-n переходом и каналом p-типа при различных фиксированных управляющих напряжениях Uзи. Графики отображают зависимость тока стока (Ic) от напряжения сток – исток (Uси). На каждой из этих кривых присутствуют 3 характерные области:

1. Сильная зависимость тока Ic от напряжения Uси (участок до штрих - пунктирной линии). Эта часть определяет период насыщения канала до напряжения Uси нас, при котором транзистор переходит в закрытое (открытое) состояние. Чем выше управляющее напряжение смещения Uзи, тем раньше закроется (откроется) полевой транзистор.

2. Слабая зависимость тока Ic, когда канал насыщается до своего максимального значения и переходит в постоянно закрытое (открытое) состояние.

3. В момент, когда напряжение Uси превышает предельно допустимое для полевого транзистора, наступает необратимый электрический пробой p-n перехода. Полевой транзистор при этом выходит из строя.

Сток-затворная характеристика показывает зависимость Ic от напряжения между затвором и истоком.

Напряжение на затворе, при котором ток стока стремится к нулю, является очень важной характеристикой полевого транзистора. Оно соответствует напряжению запирания прибора по цепи затвора и называется напряжением запирания или напряжением отсечки.

Условные графические изображения полевых транзисторов в электрических схемах выглядят следующим образом.

Где полевой транзистор:

а – с p-n переходом и p-каналом;

б - с p-n переходом и n-каналом;

в – со встроенным p-каналом обедненного типа;

г – со встроенным n-каналом обедненного типа;

д – с индуцированным p-каналом обогащенного типа;

е – с индуцированным n-каналом обогащенного типа;

ж – p-типа (в) и выводом от подложки;

з – p-типа (д) и выводом от подложки

Европейское обозначение контактов: gate – затвор, drain – сток, source – исток, tab – подложка (зачастую в неизолированных транзисторах является стоком).

Основные технические характеристики полевого транзистора

Современные полевые транзисторы характеризуются основными характеристиками, температурными характеристиками и электрическими характеристиками при температуре до +25 градусов на подложке (истоке). Кроме того, существуют статические и динамические характеристики полевых транзисторов, определяющие максимальные показатели при их применении в частотных сигналах. На частотные характеристики следует обращать особое внимание при использовании транзисторов в генераторах, модуляторах, импульсных блоках питания, современных цифровых усилителях класса D и выше. Частотные свойства определяются постоянной времени RC-цепи затвора, определяющей скорость запирания / отпирания канала. У полевых транзисторов с изолированным затвором (МОП и МДП) входная емкость значительно меньше полевых транзисторов с p-n переходом, что дает возможность применять их в высокочастотной аппаратуре.

К основным характеристикам полевых транзисторов относятся:

Vds (Vdss) или Uси max – определяет максимально допустимое значение напряжения между истоком и стоком;

Id или Ic – максимально допустимый ток стока, проходящий через открытый канал транзистора;

Rdc(on) – сопротивление канала между затвором и истоком (обычно указывается совместно с управляющим напряжением Uзи или Vgs).

Iз ут или Igss – ток утечки затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой.

Pd или Pmax – максимальная рассеиваемая мощность транзистора при температуре, как правило, +25 градусов.

Тепловые параметры полевого транзистора определяют устойчивость его характеристик при работе в диапазоне температур, так как при изменении температуры свойства полупроводниковых материалов изменяются. От температуры сильно зависит значение Ic , крутизны и тока утечки затвора.

Tj или Тmax – температура разрушения кристалла подложки, соответствующая максимально допустимой рабочей температуре

Tstg или Тmin – минимальная отрицательная температура, при которой соблюдаются основные паспортные параметры транзистора

Отличительной особенностью работы полевых транзисторов в сравнении с биполярными является очень низкий коэффициент шума или Кш. Данный коэффициент мало влияет от напряжений сток – исток, тока стока, а так же температуры работы транзистора (до +50 градусов).

1. Не рекомендуется снижать температуру полевых транзисторов во время их работы ниже -5 градусов, а так же выходи за пределы рабочей температуры +60 +70 градусов (в народе - температура удержания пальца).
2. Во время эксплуатации необходимо выбирать рабочие напряжения и токи, которые не будут превышать 70% от максимально допустимых параметров по паспорту (даташиту).
3. Нельзя использовать транзисторы в максимальных режимах по двум параметрам одновременно.
4. Не допускать работу транзистора с отключенным затвором.
5. На затвор полевых транзисторов с p-n переходом нельзя подавать напряжение, смещающее переход в прямом направлении. Для p-канальных это будет отрицательное напряжение, для n-канальных – положительное.
6. Хранение полевых МОП и МДП транзисторов желательно производить с закороченными выводами. Маломощные транзисторы частотные транзисторы этой структуры выходят из строя от статического напряжения.
7. Проверить исправность полевого транзистора электронным тестером можно по аналогии с этим видео http://www.youtube.com/watch?v=jQ6l6C8LMSw