Твердотельная електроника / TTE_Lect1

Рисунок 11.7 – Вхідна (затворна) характеристика ПТУП

Вхідні характеристики повністю визначаються властивостями p-n – переходу ПТУП і тому являють собою ВАХ цього переходу.

Оскільки на струм Iз практично не впливає стокова напруга Ucв , то

залежності Iз f ( Uзв ) для різних значень Ucв майже не

відрізняються одна від одної і подаються у вигляді однієї характеристики. У довідниках вмикати керуючий перехід ПТУП під пряму напругу, що перевищує 0.5 В, заборонено [6].

11.1.2 Статичні прохідні (стокозатворні) характеристики

Це залежності IC f (U зв )Uсв const . На рисунку 11.8 показані стокозатворні характеристики польового транзистора КП 103 М.

141

Рисунок 11.8 – Статичні прохідні характеристики ПТУП

Їх вигляд пояснюється розглянутим принципом роботи ПТУП. При збільшенні стокової напруги зростає струм стоку, і тому прохідна характеристика змішується вгору.

Стокозатворна характеристика може бути апроксимована формулою

де ICпоч - початковий струм стоку (при Uзв =0).

При напрузі відсічення Uзввідс (у КП 103 М вона приблизно дорівнює 5 В) струму стоку IC 0.

Точної рівності з нулем не буде, оскільки навіть при повному перекритті каналу через транзистор проходить зворотний струм p-n –

переходу - струм Iз .

11.1.3 Статичні вихідні (стокові) характеристики

Це залежності IC f (U cв )Uзв const .

Вихідні характеристики польового транзистора КП 103 М показані на рисунку 11.9.

142

Рисунок 11.9 – Статичні вихідні характеристики ПТУП

Розглянемо спочатку стокову характеристику, зняту при Uзв =0. Якби опір каналу не залежав від струму, що через нього проходить,

шириною внаслідок зростання запірної щодо p-n – переходу напруги

стоку на пологій ділянці пояснюється наступним чином. Після перекриття каналу біля стоку подальше збільшення напруги Ucв

приводить до збільшення довжини перекритої частини каналу і його опору. Якби довжина перекритої частини каналу лінійно залежала від

напруги Ucв , то при зростанні напруги Ucв збільшувався б

пропорційно до останньої опір каналу і струм через канал мав би постійну величину. Але насправді довжина перекритої частини каналу

143

залежить від напруги Ucв так, як глибина проникнення запірного шару

до каналу P (рисунок 11.10).

Рисунок 11.10 – Змикання каналу під дією струму стоку

тобто довжина зімкнутої (перекритої) частини каналу і його опір

переходу між затвором і стоком (оскільки саме між цими електродами максимальна напруга).

Збільшуючи напругу на затворі стосовно нуля, спостерігають зміщення вихідних характеристик донизу, оскільки струм стоку при цьому, згідно з принципом дії ПТУП, зменшується. Напруга перекриття

Ucвпер для кожної наступної характеристики також зменшується. Це

пояснюють сумісною дією на p-n – перехід обох напруг - Ucв і Uзв ,

тобто за формулою (11.8)

144

Зрозуміло З формули (11.11), зрозуміло що при збільшенні Uзв

повинна зменшуватися напруга перекриття Ucвпер . Пологі ділянки на сім’ї характеристик рисунку 11.9 зумовлені тими самими процесами, що

і відповідна ділянка на характеристиці при Uзв =0.

Оскільки внаслідок принципу дії ПТУП напруга пробою між стоком і затвором

то при збільшенні напруги на затворі пробій відбудеться при меншій напрузі стоку, як це показано на вихідних характеристиках (рис. 11.9).

Круті ділянки вихідних характеристик називають омічними. Диференційний опір ПТУП на цих ділянках залежить від затворної

напруги Uзв . Тому ці ділянки є робочими в режимі, коли ПТУП

використовують як електронно-керований змінний резистор.

На пологих ділянках ПТУП працює як підсилювальний елемент.

11.1.4 Диференційні параметри польових транзисторів

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

тобто засвідчує, на скільки міліамперів зміниться струм стоку при зміні напруги на затворі на 1 В при Ucв =const . Значення SПТ лежить у

межах від 0.5 до кількох мА/В і може бути одержане графоаналітично за стокозатворними характеристикам.

145

2.Внутрішній (диференційний) опір

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

3 Статичний коефіцієнт підсилення напруги

Коефіцієнт може бути визначений за формулою

Значення rзв лежить у межах від кількох сотень кілоомів до

одиниць мегаомів. Воно може бути знайдене за статичними вхідними (затворними) характеристиками.

11.2Польові 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 n типу приєднано металеву пластину (рисунок 11.11), яка не має гальванічного зв’язку з кристалом, оскільки відділена від останнього ізолювальною діелектричною плівкою.

146

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 n ).

Якщо тепер змінити полярність під’єднання напруги U (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 i (див. ділянку від U =0 до U =Uпор у другому квадранті графіка рисунка 11.11). При пороговій напрузі встановлення власної питомої провідності i шару означає, що концентрація

електронів дорівнює концентрації дірок ni pi . Якщо на металевій пластині збільшувати негативну напругу стосовно підкладки далі, то

дірок у приповерхневому шарі стає більше, ніж електронів, nn pn ,

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

147

негативної напруги на металі призводить до збагачення інвертованого

шару на дірки – зростає діркова питома провідність (гілка p 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) Uзв =0; б) Uзв <0; в) схемні позначення

У НП n типу (підкладці) дифузійним способом створені дві збагачені p 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 Uзв =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

електропровідності приповерхневого шару і виникає канал p - типу, що

148

з’єднує електрично області витоку і стоку (рисунок 11.12, б). При ненульовій напрузі стоку через канал і в зовнішньому колі походитиме

струм IC , який у каналі зумовлений рухом дірок від витоку до стоку.

Оскільки струм IC , що проходить через канал, створює на його опір спад напруги U(x) , 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 IC зростають. Цей режим, коли

збільшення за модулем напруги Uзв приводить до зростання струму

стоку IC , 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.

149

Рисунок 11.14 – Вихідна характеристика МДН - транзистора збагаченого типу

За формою вони аналогічні до вихідних характеристик зумовлені подібними процесами у каналі. Зміщення

характеристик угору при збільшенні негативної напруги Uзв >Uзв пор

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 ICпоч (рисунок 11.15).

150