11.1.4 Диференційні параметри польових транзисторів

1.Крутизна прохідної характеристики визначає нахил цієї характеристики в довільній точці

, (11.13)

тобто засвідчує, на скільки міліамперів зміниться струм стоку при зміні напруги на затворі на 1 В при = . Значення лежить у межах від 0.5 до кількох мА/В і може бути одержане графоаналітично за стокозатворними характеристикам.

2.Внутрішній (диференційний) опір

. (11.14)

Становить від кількох десятків до сотень кілоомів. Може бути одержаний за вихідними характеристиками ПТ.

3 Статичний коефіцієнт підсилення напруги

(11.15)

Коефіцієнт може бути визначений за формулою

(11.16)

Величина становить сотні одиниць.

4 Диференційний вхідний опір

(11.17)

Значення лежить у межах від кількох сотень кілоомів до одиниць мегаомів. Воно може бути знайдене за статичними вхідними (затворними) характеристиками.

11.2 Польові транзистори з ізольованим затвором (мдн - транзистори)

11.2.1 Ефект поля.

В основу роботи ПТ з ізольованим затвором (МДП - або МОН - транзисторів) покладене явище, яке називають ефектом поля. Суть цього явища полягає в наступному.

Нехай до напівпровідникового кристала типу приєднано металеву пластину (рисунок 11.11), яка не має гальванічного зв’язку з кристалом, оскільки відділена від останнього ізолювальною діелектричною плівкою.

Рисунок 11.11 – До пояснення ефекту поля в напівпровіднику

Якщо до металевої пластини і до кристала (підкладки) припаяти електроди і подати напругу плюсом до металевої пластини і мінусом до підкладки, то в кристалі виникає електричне поле. Під дією цього поля електрони з глибини НП дрейфують до поверхні, збагачуючи основними носіями приповерхневий шар і внаслідок цього збільшуючи його електронну провідність (див. праву гілку графіка рисунка 11.11, позначену ).

Якщо тепер змінити полярність під’єднання напруги (як це показано на рисунку 11.11), то поле змінить свій напрям і електрони від поверхні кристала дрейфуватимуть углиб. Приповерхневий шар кристала збіднюється на основі носіїв за рахунок відтоку електронів і притоку власних дірок з глибини НП. Електронна питома провідність шару біля поверхні зменшується до величини власної питомої провідності (див. ділянку від =0 до = у другому квадранті графіка рисунка 11.11). При пороговій напрузі встановлення власної питомої провідності шару означає, що концентрація електронів дорівнює концентрації дірок . Якщо на металевій пластині збільшувати негативну напругу стосовно підкладки далі, то дірок у приповерхневому шарі стає більше, ніж електронів, , шар набирає провідності p – типу, і між шаром і рештою кристала виникає p-n – перехід (рисунок 11.11). Це явище називають інверсією типу електропровідності приповерхневого шару. Подальше збільшення негативної напруги на металі призводить до збагачення інвертованого шару на дірки – зростає діркова питома провідність (гілка на характеристиці рисунка 11.11).

11.2.2 МДН - транзистори з індукованим каналом

Будова МДН - (МОН) транзистора з індукованим каналом

p – типу зображена на рисунку 11.12.

а) б) в)

Рисунок 11.12 – Будова МДП - транзистора з індукованим каналом: а) =0; б) <0; в) схемні позначення

У НП типу (підкладці) дифузійним способом створені дві збагачені області , які не мають між собою електричного зв’язку, бо відділені одна від одної зустрічними p-n – переходами. Одна з цих областей є витоком, друга – стоком. Металева пластина, відділена від поверхні підкладки ізолювальним шаром двоокису кремнію, відіграє роль затвора.

При =0 і ненульовій напрузі стоку (рисунок 11.12, а) між витоком і стоком проходить малий зворотний струм p-n – переходу. Транзистор закритий.

Якщо тепер до металевого затвора прикласти стосовно підкладки негативну напругу, то під дією електричного поля починається дрейф електронів від поверхні вглиб кристала. При пороговій напрузі = відбувається інверсія типу електропровідності приповерхневого шару і виникає канал p - типу, що з’єднує електрично області витоку і стоку (рисунок 11.12, б). При ненульовій напрузі стоку через канал і в зовнішньому колі походитиме струм , який у каналі зумовлений рухом дірок від витоку до стоку. Оскільки струм , що проходить через канал, створює на його опір спад напруги , як у ПТУП, то електричне поле біля витоку стає більшим, ніж біля стоку, і тому канал біля витоку ширший.

При збільшенні негативної напруги на затворі глибина проникнення інверсного шару в НП збільшується , канал розширюється, його провідність і струм стоку зростають. Цей режим, коли збільшення за модулем напруги приводить до зростання струму стоку , називають режимом збагачення.

Очевидно, що при прикладенні до затвора позитивної напруги струм буде складати мізерну величину, як струм p-n – переходу в зворотному ввімкненні , оскільки каналу не існуватиме.

Статична стокозатворна характеристика МДН - транзистора подана на рисунку 11.13.

Форма характеристики відповідає принципу дії МДН – транзистора з індукованим каналом. З характеристики бачимо , що такі МДН - транзистори збагаченого типу.

Рисунок 11.13 – Стокозатворна характеристика МДН - транзистора з індукованим p – каналом

Стокові (вихідні) характеристики МДН - транзистора з індукованим каналом показані на рисунку 11.14.

Рисунок 11.14 – Вихідна характеристика МДН - транзистора збагаченого типу

За формою вони аналогічні до вихідних характеристик ПТУП і зумовлені подібними процесами у каналі. Зміщення вихідних характеристик угору при збільшенні негативної напруги > зумовлене розширенням каналу і зменшенням його електричного опору (зростанням струму стоку).

МДН – транзистори з індукованим каналом, крім їх використання як дискретних приладів (КП 301, КП 304 з p - каналом, КП 350 з n - каналом) використовують у мікроелектроніці в так званих КМОН - структурах.

11.2.3 МДН - транзистори із вбудованим каналом

У МДН - транзисторах із вбудованим каналом канал створюється конструктивно, на стадії виготовлення, а не виникає внаслідок інверсії типу електропровідності приповерхневого шару, як у транзисторах з індукованим каналом. Тому в таких транзисторах при нульовій напрузі на затворі і при напрузі між стоком та витоком, відмінній від нуля, через канал проходить деякий струм, який називають початковим струмом стоку (рисунок 11.15).

а) б) в)

Рисунок 11.15 – Будова МДН - транзистора із вбудованим каналом

У МДН – транзисторах з вбудованим каналом p - типу збільшення негативної напруги на затворі приводить до розширення каналу і збільшення струму стоку (рисунок 11.15, б). Збільшення на затворі такого транзистора позитивної напруги (рисунок 11.15, в) спричиняє надходження електронів з товщі напівпровідника до приповерхневого шару. Ширина каналу, його електропровідність, а також струм стоку зменшують.

При деякій позитивній напрузі на затворі ( ) відбувається інверсія типу провідності каналу, і області стоку й витоку розділяються областю n - типу. Струм стоку зменшується до значення зворотного струму p-n – переходу.

Режим роботи транзистора, коли збільшення напруги за модулем приводить до зменшення струму стоку, називають режимом збіднення. Оскільки лише МДН – транзистори з вбудованим каналом, крім режиму збагачення, мають ще й режим збіднення, то їх називають польовими транзисторами збідненого типу.

Статичні характеристики МДН – транзистора з вбудованим каналом типу наведені на рисунку 11.16.

а) б) в)

Рисунок 11.16 – Статичні характеристики МДН - транзисторів з вбудованим p - каналом: а) стокозатворні; б) стокові;

в) схемні позначення

Вигляд їх подібний до вигляду характеристик інших польових транзисторів. Однак ці характеристики, на відміну від попередніх, мають область позитивних затворних напруг (область збіднення) і область негативних затворних напруг (область збагачення).

Переваги польових транзисторів – високий вхідний опір і, як наслідок, дуже мале споживання енергії в керувальному колі, високий порівняно з БТ коефіцієнт підсилення потужності більше, ніж ПТУП, властиві МДН – транзисторам. Та обставина, що металевий затвор в цих приладах ізольований від напівпровідникової підкладки тонким шаром діелектрика, зумовлює те, що вхідний опір МДН – транзисторів у десятки – сотні разів вищий, ніж у ПТУП, і досягає десятків мегаомів, тобто затворний струм не перевищує одиниць наноамперів. До того ж, ця властивість польових транзисторів з ізольованим затвором зумовлює збільшення перешкодостійкості і надійності роботи електронних схем, у яких вони використовуються. Проте у таких приладів є суттєвий недолік. Відомо, що шар діелектрика завтовшки 1 мкм пробивається напругою 500 – 600 В. У МДН - транзисторах ізолювальна плівка має товщину 0.1 – 0.15 мкм, і тому її пробивна напруга не перевищує кількох десятків вольтів. Унаслідок цього МДН – транзистори є дуже чутливими до статичної електрики, навіть до тої, що накопичується на людському тілі. Тому в довідниках рекомендовано паяння і згинання виводів цих транзисторів здійснювати не ближче 3 мм від корпусу. Під час транспортування, зберігання і монтажу виводи приладів повинні закорочуватись, а руки оператора і паяльник потрібно заземляти.

Прикладами МДН – транзисторів із вбудованим каналом є малопотужні прилади: КП 305, КП 306, КП 313. Всі ці транзистори високочастотні і тому мають провідність каналу n - типу. До потужних МДН - транзисторів із вбудованим n - каналом належать транзистори КП 901.