Вопросы для самопроверки.

1. В чём отличие принципа действия полевых и биполярных транзисторов?

2. Поясните названия: полевой, канальный, униполярный.

3. В чём заключается принцип действия полевого транзистора с управляющим p-n переходом?

4. Как и почему называются выводы полевого транзистора?

5. Какая аналогия между выводами биполярных и полевых транзисторов?

6. Как обозначаются полевые транзисторы с управляющим p-n переходом в схемах?

7. Что будет происходить в полевом транзисторе с p-n переходом, если изменять напряжение на затворе?

8. Как используя технологию изготовления биполярных транзисторов n-p-n типов можно сделать полевой транзистор с управляющим p-n переходом и p-каналом?

9. Поясните, название МДП- и МОП- транзисторы.

10. В чём заключается принцип действия МДП-транзистора?

11. Что такое встроенный и индуцируемый каналы?

12. Какое напряжение нужно подать на затвор МДП-транзистора с индуцируемым n-каналом, чтобы ток стока увеличился?

13. Какое напряжение нужно подать на затвор МДП-транзистора с встроенным n-каналом, чтобы между истоком и стоком отсутствовал ток?

14. Чем отличаются каналы в полевых транзисторах с p-n переходом и МДП-транзисторах?

15. Как обозначаются МДП-транзисторы в схемах?

2.8. Характеристики и параметры полевых транзисторов.

Рассмотрим характеристики полевых транзисторов с p-n переходом. Прежде всего, отметим, что если при отсутствии напряжения между истоком и стоком на затвор полевого транзистора приложить достаточно большое запирающее напряжение, зоны p-n перехода смыкаются (см. рис.2.35). Поскольку в зоне закрытого p-n перехода количество носителей заряда мало, тока между истоком и стоком протекать не будет практически при любом напряжении между истоком и стоком. Напряжение, при котором ток между истоком и стоком становится близким к нулю, называется напряжением отсечки U_ОТС.

Если между истоком и стоком приложить напряжениеU_С, как показано на рис.2.41, то смыкание зон p-n перехода произойдёт при меньшем напряжении на затворе, а границы зоны p-n перехода искривляются (см. рис.2.41). Это связано с тем, что запирающее p-n переход напряжение между затвором и стоком больше, чем между затвором и стоком на напряжение U_С.

Рис.2.41. Границы зон p-n переходов в полевом транзисторе при разных напряжениях на стоке U_С.

На рис.2.41 приведены границы зон p-nпереходов при различных напряжениях между истоком и стоком. Как видно, при напряженииU_С2происходит смыкание зонp-nпереходов, а приU_С3видно, что длина канала уменьшается.

Из приведённого рисунка очевидно, что при заданном напряжении на затвореU_З<U_ОТСхарактер изменения тока стока в зависимости от напряжения на стоке будет зависеть от того, будут ли перекрыты зоны перехода или нет.

Рассмотрим изменение тока стока I_Св зависимости от напряжения на стоке. При малых напряжениях на стокеU_Си заданном напряжении на затворе рост тока будет происходить достаточно быстро (см. рис.2.42). При этом канал транзистора эквивалентен обычному резистору, сопротивление которого тем больше, чем меньше площадь его поперечного сечения.

При достижении напряженияU_СН, соответствующему смыканию зонp-nперехода, рост тока резко замедляется, т.е. происходит его насыщение. В этом случае токопроводящий слой, близкий к стоку, превращается в токовый шнур, который поддерживает ток практически неизменным, даже при больших изменениях напряжения на стоке. Напряжение, при котором канал приобретает форму шнура, называется напряжением насыщенияU_СН.

Рис.2.42. Зависимости тока стока от напряжений на затворе а) и напряжений на стоке б) для полевого транзистора с управляющим p-n переходом и n-каналом.

При изменении напряжения на затворе характеристики I_С=f(U_С) принципиально не изменяются, но при больших отрицательныхU_Зхарактеристики пойдут ниже, а напряжение насыщенияU_СНуменьшается (см. рис. 2.42б).

Используя зависимости I_С=f(U_С), можно построить и функцииI_С=f(U_З) при различных напряжениях на стоке (рис.2.42а). Эти зависимости можно использовать, чтобы определить один из главных параметров полевых транзисторов - его крутизнуS. Крутизна полевого транзистора определяется следующим образом приU_С=constи заданномU_З. Крутизна обычно измеряется в мА/В и для типовых транзисторов она равна десятым долям - единицам мА/В. Чем больше крутизнаS, тем больше изменяется ток в стоковой цепи при изменении напряжения на затворе, т.е. тем большее усиление можно обеспечить с помощью полевого транзистора. Именно поэтому стараются использовать полевой транзистор при достаточно больших напряжениях на стоке и приемлемо малых напряжениях на затворе (см. рис.2.42).

Следует учитывать, что запирающее напряжение на затворе, обеспечивающее режимный ток полевого транзистора, должно быть таким, что при подаче входного сигнала напряжение на затворе всегда оставалось отрицательным. В противном случае управляющий p-nпереход окажется смещённым в прямом направлении и полевой транзистор потеряет своё основное достоинство - большое входное сопротивление.

Другим важным параметром полевого транзистора является дифференциальное сопротивление канала r_Кна пологом участке зависимостиI_С=f(U_С). Оно определяется, как приU_З=constи заданном токеI_С. Это сопротивление обычно достаточно велико, поэтому зависимостиI_C=f(U_C) на пологом участке практически параллельны оси абсцисс.

Произведение крутизны Sна сопротивление каналаr_Кназывается коэффициентом усиления напряжения полевого транзистораμ:μ=Sr_К. Коэффициентμпоказывает, какой максимальный коэффициент усиления по напряжению можно получить, если выполнить на полевом транзисторе усилительный каскад.

Эквивалентная схема полевого транзистора с p-nпереходом для малого сигнала приведена на рис.2.43. В этой эквивалентной схеме учтено, что полевой транзистор управляется полем, т.е. в отличие от биполярного транзистора входное сопротивление очень велико и в схеме не учитывается. Ёмкости затвор-сток С_ЗС, затвор-исток С_ЗИ, исток-сток С_ИСоказывают влияние только на высоких частотах, уменьшая коэффициент усиления каскадов, выполненных на полевых транзисторах. Названные паразитные ёмкости полевого транзистора носят и другие названия, которые соответствуют их месту включения в эквивалентной схеме (рис.2.43): ёмкость С_ЗИ– входная, ёмкость С_ЗС– проходная, ёмкость С_ИС– выходная. Наибольшее влияние на частотные свойства усилителей на полевых транзисторах оказывает проходная ёмкость. Основные усилительные свойства полевого транзистора определяются генератором токаSU_ЗИи сопротивлением каналаr_К.

Рис.2.43. Эквивалентная схема полевого транзистора с p-n переходом для малого сигнала.

По сравнению с биполярными транзисторами полевые транзисторы с p-nпереходом имеют не только существенно большее входное сопротивление, но и малый уровень собственных шумов. Шумами в электронных устройствах принято называть флуктуации электрического тока или напряжения, обусловленные хаотичным движением носителей заряда. Уровень собственных шумов активных приборов определяет тот минимальный сигнал, который может быть усилен при их использовании. Поскольку уровень собственных шумов у полевых транзисторов с управляющимp-nпереходом мал, их используют при создании малошумящих усилителей, т.е. усилителей, способных усиливать малые по величине электрические сигналы.

Рассмотрим характеристики и параметры МДП транзистора с индуцируемым n-каналом. Прежде всего, напомним, что при напряжении на затворе, равным нулю, канал будет отсутствовать. При приложении некоего положительного порогового напряженияU_ПОРк затвору вблизи поверхности полупроводника возникает наведённый (индуцируемый) слой электронов, т.е. образуется токопроводящийn-канал. На рис.2.44 приведено распределение электронов в индуцированном канале приU_З>U_ПОРи отсутствии напряжения между истоком и стоком. (Подложка транзистора, как правило, соединяется с истоком.) Как уже отмечалось выше, положительное напряжение на затворе создаёт электрическое поле, притягивающее электроны и создающееn-канал. При отсутствии напряжения между истоком и стоком поле в диэлектрике однородное, поверхность полупроводника находится под одним и тем же напряжением и толщина канала одинакова на всём протяжении.

Рис.2.44. Распределение электронов в индуцированном канале при отсутствии напряжения между истоком и стоком.

Картина изменяется, если между истоком и стоком приложено напряжение, как показано на рис.2.45.

В этом случае между истоком и затвором будет действовать напряжение большее, чем между стоком и затвором на величину напряжения U_С. Следовательно, поле в диэлектрике вблизи стока будет меньше, чем вблизи истока, т.е. канал вблизи стока сужается. При некотором напряжении на стоке, называемом напряжением насыщения, канал сузится до минимальной величины, называемой "горловиной" канала. Образование "горловины" канала эквивалентно образованию канала шнуровой формы в полевом транзисторе сp-nпереходом. На рис.2.46 показано изменение ширины канала в зависимости от напряжения на стокеU_C.

Рис.2.45. Распределение электронов в индуцированном канале при введении напряжения между истоком и стоком.

Рис.2.46. Граница индуцируемого канала в зависимости от напряжения на стоке.

На рис.2.47а приведены зависимости I_C=f(U_С) при различных напряжениях на затворе. Эти зависимости практически эквивалентны зависимостям для полевого транзистора с управляющимp-nпереходом.

Рис.2.47. Зависимости тока стока от напряжения на стоке а) и напряжения на затворе б) для МДП-транзистора с индуцируемымn-каналом.

В тоже время зависимости I_C=f(U_З), приведённые на рис.2.47б, по сравнению с полевым транзистором сp-nпереходом смещены в область положительных значений напряжений на затворе, что связано с тем, что только при положительных напряжениях на затворе индуцируется токопроводящий канал. Напряжение на затворе, при котором возникает ток стока, называется пороговым напряжением.

При условии, если канал встроенный, ток между истоком и стоком будет протекать и при отсутствии напряжении на затворе. Чтобы ток I_Сстал равным нулю на затвор необходимо подать отрицательное напряжение. В этом случае характеристикиI_C=f(U_З) получаются аналогичными характеристикам полевого транзистора сp-nпереходом. При этом МДП-транзистор в отличие от полевого сp-nпереходом может работать как при отрицательных, так и при положительных напряжениях на затворе, поскольку для слоя диэлектрика не имеет значения полярность приложенных напряжений.

За исключением U_ПОРМДП-транзисторы, как и полевые сp-nпереходом, характеризуются одинаковыми параметрами:U_ОТС,U_СН,S,r_К, С_ЗИ, С_ЗС, С_СИ, а для расчёта схем на их основе можно использовать эквивалентную схему, приведённую на рис.2.42.

МДП-транзисторы по сравнению с полевыми транзисторами с p-nпереходом имеют меньшую температурную стабильность и больший уровень шума. Это связано с тем, что канал в МДП-транзисторе расположен вблизи поверхности полупроводника рядом с диэлектриком, который, как правило, загрязнён примесями. Примеси вызывают температурную нестабильность и флуктуации электрического тока. Однако благодаря разнообразию характеристик различных типов МДП-транзисторов, удобству и простоте изготовления, малой площади занимаемой на поверхности полупроводника они находят широкое применение в современных цифровых микросхемах. На их основе делаются основные узлы и блоки современных компьютеров.

При сравнении МДП-транзисторов с биполярными следует отметить, что биполярные транзисторы существенно уступают МДП-транзисторам по величине входного сопротивления, но превосходят их по усилительным свойствам. Именно поэтому на их основе делаются микросхемы усилителей.