20. Полевые транзисторы

Полевой (униполярный) транзистор – п/п прибор, в котором управление током, протекающим между двумя электродами, осуществляется с помощью напряжения, приложенного к третьему электроду. Управление током осуществляется с помощью электрического поля либо за счет изменения площади поперечного сечения проводящего полупроводникового слоя, через который проходит рабочий ток, либо за счет изменения удельной проводимости этого слоя. Полевой транзистор называют униполярным, т.к. ток в нем образуется только основными носителями заряда. Электрод, через который носители заряда втекают в канал – исток, а электрод, через который из канала вытекают носители заряда – сток. Электроды обратимы. Третий, управляющий, электрод – затвор.

П олевой транзистор с изменяющимся сечением канала – транзистор с управляющим p-n переходом. Полевой транзистор с изменяющимся удельным сопротивлением – транзистор с изолированным затвором. К ним относятся МДП-транзистор (металл-диэлектрик-п/п) и МОП-транзисторы (металл-окисел-п/п).

Схема п. транзистора с управляющим p-n переходом. Основа – пластина из п/п n- или p- проводимости (на рисунке n). Слой под затвором имеет проводимость p. Т.к. концентрация носителей заряда в p области больше, то образующийся на их границе переход располагается главным образом в n-области. По типу канала делятся на p-канальные и n-канальные. Тут можно изобразить схему с ОИ (аналогично ОЭ, только Uзи вверху – для n-канала). Принцип действия заключается в том, что при изменении потенциала затвора меняется ширина p-n перехода и следовательно сопротивление проводящего канала и ток стока через него. Эквивалентную схему можно представить в виде двух диодов. Видно, что Iз0, Rвхбеск.--> Ток в цепи затвора стремится к нулю. Если Uзи=0 и Ес=0; то сопротивление канала при этом равно R0. Если Uзи=0, Ес>0, то через n-канал будет протекать ток Ic, величина которого зависит от Ес, Rн, R0. Uзи<0, Ес>0. К p-n переходу будет приложено обратной напряжение. Это приводит к уменьшению сечения канала и уменьшению Ic. Uзи=U0. Область пространственных зарядов перекрывает весь канал. Сопротивление стремится к бесконечности. Uзи>0, Ес>0. Данный режим недопустим, так как p-n переход будет смещен в прямом направлении.

Выходная ВАХ Ic=f(Uc)|Uз=const; Ic=1/R0[Uc+2/3(Uз^3/2-(Uз+Uc)^3/2)/√U0]. Изобразить ВАХ, нижняя линия – Uз=U0. Под ней область отсечки. Область насыщения – аналог активной области у бт. Там, где линия становится горизонтальной – I нас, по нему опред. Uнас max=U0. Uc нас=U0-Uз. Icнас=1/R0[U0-Uз+2/3(Uз^3/2-(Uз+U0-Uз)^3/2)/√U0]=1/R0[1/3U0-Uз(1-2/3√(Uз/U0)]. При Uз=0 I c нас max=Icmax=U0/(3R0). Ic=Icmax[3Uc/U0+2(Uз^3/2-(Uз+Uc)^3/2)/U^3/2]. Входная характеристика Ic+f(Uз)|Uc=const.

Чем меньше Uc, тем ниже линия. Угол с осью х =arctgS.

S=dIc/dUз – крутизна. S=Smax(1-√(Uз/U0). Smax=-3Icmax/U0. минус означает отрицательное значение тангенса угла наклона касательной к проходной (переходной) характеристике. Ri=dUси/dIc – дифференциальное сопротивление канала – характеризуется наклоном (на выходных хар-х) характеристик при полностью открытом канале. μстат=-ΔUси/ΔUзи при Ic=const – статический коэффициент усиления по напряжению. μ=SRi Он показывает во сколько раз управляющие свойства затвора сильнее, чем у стока. Знак минус говорит о том, что для поддержания постоянного тока через транзистор напряжения на затворе и на стоке должны быть противоположны по знаку. Статическое сопротивление транзистора определяется по постоянной составляющей тока в рабочей точке по ВАХ Uси/Ic. Входное сопротивление между затвором и истоком (определяется при максимально допустимом напряжении между электродами). Rвх=ΔUзиmax/ΔIзmax. Достоинства: почти полное отсутствие шумов и стабильность характеристик во времени. Единственном типом шума является тепловой шум.

21. МДП-транзисторы

В кристалле проводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Поверхность кристалла между истоком и стоком покрыта тонким слоем диэлектрика (например, двуокись кремния SiO2). На слой диэлектрика нанесен затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и п/п. Поэтому пт с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами. Входное сопротивление МДП транзисторов может достигать 10¹⁰-10¹⁴ Ом, что является преимуществом при построении высокоточных устройств. Часто такие транзисторы называют МОП, так как в качестве диэлектрика используют окисел кремния. Раньше их называли MOSFET, теперь IGFET. Эти транзисторы являются фактически главными элементами современных ц ифровых схем. МОП транзистор имеет 4 вывода: исток, затвор, сток, подложка.

Иногда подложка не изображается на схеме. Различают МОП-транзисторы с n-каналом и p-каналом. В современных интегральных схемах отдается предпочтение n-каналу. Также разделяются на транзисторы с индуцированным и встроенным каналом.

Встроенный канал:

Если напряжение на затворе относительно истока отрицательно, то имеет место обеднение канал (уменьшение числа носителей: электроны выталкиваются из канала в p-область, что приводит к уменьшению тока через канал.

П ри положительном напряжении затвор-исток канал наоборот обогащается электронами, что приводит к увеличению тока через канал. Т.о. этот пт может работать и при положительных и при отрицательных значениях Uзи. При этом ток через затвор не протекает, т.к. затвор изолирован от канала (ВАХ на рисунке). Индуцированный канал: при нулевом напряжении Uзи канал между истоком и стоком отсутствует. Встречно направленные p-n перехода препятствуют движению электронов. При Uзи>0 возникающее под затвором электрическое поле будет отталкивать положительные заряды (дырки) в глубь полупроводника. При некотором пороговом значении между стоком и истоком под затвором накапливается достаточный слой электронов. Создается (индуцируется) проводящий канал. Изменяя Uзи можно менять величину тока стока. Вид ВАХ этого типа транзистора отличается тем, что ток возникает при положительных напряжениях Uзи>U0,где U0 – напряжение отпирания транзистора. Для крутых участков ВАХ, где Uси<Uзи-U0 Ic=b[(Uзи-U0)Uси-0.5U²си], где b-удельная крутизна МОП-транзистора.

Для пологих участков ВАХ Ic=0.5b(Uзи-U0)². S=b(Uзи-U0) – крутизна МОП-транзистора. R0=1/b(Uзи-U0) – сопротивление канала.

Преимущества МОП перед канальными: более высокое быстродействие, что объясняется меньшей длиной канала. Недостатки – большая нестабильность характеристик во времени. Другие виды МОП-транзисторов: КМОП (комплементарные) и транзисторы с барьером Шоттки-сочетание канальных и МОП.