2072

Металл

и з с

е

Рис. 6.12. Структура полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом n-типа (а); условное графическое и позиционное обозначения транзистора со встроенным каналом n-типа (б) и p-типа (в), с каналом n-типа и выводом от подложки (г), с каналом p-типа и выводом от подложки (д), е – схема простейшего усилителя на МДП-транзисторе

При подаче на затвор положительного напряжения Uзи 0 электрическое поле затвора притягивает электроны из p-слоя в канал, обогащая его основными носителями заряда. В результате проводимость канала возрастает, и характеристика Ic f Uзu смещается вверх.

При работе транзистора в области насыщения его сток-затворная характеристика близка к линейной как в режиме обеднения канала основными носителями, так и в режиме обогащения (рис. 6.13, б). Это позволяет не использовать источник ЭДС смещения в цепи затвора при построении усилительного каскада на МДП-транзисторе этого типа (рис. 6.12, е).

81

Рис. 6.13. Семейство стоковых характеристик (а) и сток-затворных характеристик (б) МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа

МДП-транзистор с индуцированным каналом

В отличие от транзистора со встроенным каналом здесь первоначально на подложке p-типа создают только области истока и стока с проводимостью n-типа, а канал не создают. Поэтому при отсутствии управляющего напряжения на затворе (Uзи = 0) транзистор остается закрытым независимо от величины и полярности напряжения между стоком и истоком Uси . Это объясняется тем, что при любой полярности напряжения Uси один из p–n-переходов (исток-подложка, сток-подложка) находится под обратным напряжением (рис. 6.14).

При подаче на затвор положительного напряжения Uзи 0 электрическое поле затвора отталкивает дырки от верхнего слоя p-области в глубину ПП, а электроны притягивает в этот слой к границе с диэлектриком. Это приводит к изменению типа электропроводности тонкого слоя у границы на противоположный, т.е. образуется (или индуцируется под действием электрического поля) проводящий канал n-типа. С ростом Uзи концентрация электронов в зоне канала возрастает, а следовательно, растет ток стока. С понижением Uзи происходят обратные процессы.

При отрицательном напряжении Uзи 0 канал n-типа не индуцируется, и транзистор остается закрытым. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом n-типа работает только в режиме обогащения канала носителями заряда.

Семейства стоковых и сток-затворных характеристик этого транзистора приведены на рис. 6.15. По форме характеристики такие же, как для ПТ

82

с p–n-переходом и МДП-транзистора со встроенным каналом, но их расположение иное.

Индуцированный канал

Подложкар-типа

а

Рис. 6.14. Структура полевого транзистора с индуцированным каналом (а); условное графическое и позиционное обозначение транзистора

с каналом n-типа (б) и p-типа (в); с каналом n-типа и выводом от подложки (г); с каналом p-типа и выводом от подложки (д)

Рис. 6.15. Семейство стоковых характеристик (а) и сток-затворных характеристик (б) МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа

83

Преимущество МДП-транзисторов перед ПТ с p–n-переходом состоит в более высоком входном сопротивлении, достигающем значений 1012 1014 Ом. Кроме того, их сток-затворные характеристики обладают большей крутизной (до нескольких десятков миллиампер на вольт).

6.6. Однопереходные транзисторы: устройство, принцип действия, ВАХ и параметры

Однопереходный транзистор (ОПТ) – это управляемый ПП прибор с одним p–n-переходом и тремя выводами. Его изготавливают на основе пластины кремния n- или p-типа. От пластины делается два вывода, не создающих p–n-перехода и называемых базами Б1 и Б2 (рис. 6.16, а). Между этими выводами путем введения соответствующих примесей в пластине создают небольшую p-область, если исходная пластина n-типа. В результате образуется p–n-переход. От области p-типа делают вывод, который называется эмиттером Э. ОПТ могут иметь противоположную структуру, если в качестве исходной пластины использовать ПП p-типа. Однако для ОПТ чаще применяют пластины n-типа, так как у них основными носителями заряда являются электроны, обладающие большей подвижностью, чем дырки.

Рис. 6.16. Структура однопереходного транзистора (а) и его условные графические обозначения в схемах (б, в): б – обозначение ОПТ

с исходной пластиной n-типа; в – ОПТ с исходной пластиной p-типа

Условное графическое и позиционное обозначение ОПТ показано на рис. 6.16, б и в.

Рассмотрим принцип действия ОПТ. Материал исходной пластины ПП обеспечивает достаточно высокое сопротивление между выводами Б1 и Б2 (порядка 4 – 12 кОм). Если между базами Б1 и Б2 подключить источник

84

постоянной ЭДС Eб = 10 – 30 В, плюсом к Б2, минусом к Б1, а на эмиттер не подавать напряжение (рис. 6.17, а), то падение напряжения в промежутке Б2–Б1 от источника Eб распределится по линейному закону, а через пластину потечет небольшой ток iб2. Длина промежутка Б2–Б1 = l1 l2

(рис. 6.17, б), причем обычно в ОПТ l2 l1. В результате протекания тока iб2 на участке l1 создается так называемое внутреннее напряжение Uб1, которое тем меньше, чем меньше l1:

Рис. 6.17. Схема включения ОПТ (а) и иллюстрация процессов в его структуре (б)

Если внешний источник напряжения Eэ подключить полюсом к Э, а минусом к Б1, то на переходе ЭБ1 будет действовать разность напряжений (Eэ Uб1). При Eэ Uб1 p–n-переход будет находиться под обратным напряжением, и ток iэ будет мал. Когда Eэ станет приближаться к Uб1, начнется диффузия дырок из p-области в n-область. В результате произойдет снижение Uб1 (за счет уменьшения сопротивления промежутка l1) и нарастание тока iэ от источника Eэ , сначала плавное, а затем лавинообразное в соответствии с ВАХ ОПТ (рис. 6.18). При обратном напряжении на p–n- переходе, пока Eэ Uэо , в цепи эмиттера протекает обратный ток малой величины. При Eэ=Uэо (точка А на ВАХ) начинает уменьшаться потенциальный барьер, а дырки диффундируют в область участка l1. Появляется прямой ток перехода, который постепенно нарастает по мере снижения барьера (участок АБ ВАХ).

85

iэ

Uб2б1=const

4

В точке Б, когда Eэ Uвкл , потенциальный барьер исчезает и происходит включение ОПТ – резкое возрастание дрейфовой составляющей тока iэ за счет уменьшения сопротивления участка l1 в связи с лавинообразным ростом потока подвижных носителей через p–n-переход. Ток транзистора при этом ограничивается внутренним сопротивлением источника напряжения.

Участок 4 ВАХ отражает работу ОПТ в открытом состоянии. Этот участок ВАХ называют областью насыщения и в этом режиме ОПТ работает как обычный диод: с ростом напряжения Uэб1 Eэ растет ток iэ . При уменьшении тока в открытом состоянии до некоторого значения Iвыкл ОПТ переходит в закрытое состояние (точка Г ВАХ). Падающий участок 3 ВАХ ОПТ можно снять при подключении между выводами Э и Б1 регулируемого источника тока iэ , а не ЭДС Еэ .

Участок 5 ВАХ, показанный пунктиром (см. рис. 6.18), соответствует режиму, когда Uб1б2 0, и аналогичен ВАХ обычного диода.

При увеличении Uб1б2 характеристика iэ f Uэб1 смещается вправо. Семейство эмиттерных характеристик ОПТ показано на рис. 6.19.

В устройствах с ОПТ нагрузку включают в цепь эмиттера. ОПТ применяется для генерации сигналов в переключающих схемах, для запуска тиристорных ключей силовых преобразователей напряжения. В качестве примера (рис. 6.20) приведена схема генератора пилообразных импульсов,

86

частота которых зависит от сопротивлений резисторов R1, R3, R4 и емкости конденсатора C1.

Однако ОПТ является достаточно инерционным прибором и по частотным свойствам значительно уступает биполярным транзисторам.

iэ

U'б2б1>U''б2б1>U''б'2б1

U'б2б1 U''б2б1 U''б'2б1

Uэб1

0

U'''вкл

U''вкл

U'вкл

Рис. 6.19. Семейство эмиттерных характеристик ОПТ

R3

Рис. 6.20. Схема генератора пилообразных импульсов напряжения (а), временная диаграмма выходного сигнала (б)

87

Полевые транзисторы на арсениде галлия с затвором Шотки

Этот вид полевых транзисторов появился в связи с использованием в интегральной схемотехнике вместо кремния нового полупроводника – арсенида галлия, который позволяет в несколько раз увеличить быстродействие элементов информационной техники.

Высокое быстродействие арсенид-галлиевых элементов объясняется в десятки раз большей подвижностью электронов в том полупроводнике, чем в кремнии. Кроме того, арсенид галлия имеет более широкую запрещенную зону, поэтому сделанная из него подложка служит хорошим изолирующим материалом.

Однако арсенид галлия, в отличие от кремния, не образует прочных окислов, поэтому на нем не удается создать транзисторы с изолированным затвором, используя структуру «металл – окисел – полупроводник». Затвор таких транзисторов выполняют в виде перехода Шотки со структурой «ме- талл-полупроводник», по принципу действия они подобны полевым транзисторам с p–n-затвором, но роль управляющего p–n-перехода играет переход Шотки. Поэтому такой транзистор называют МЕП-транзистор (металл – полупроводник), а также полевой транзистор с затвором Шотки

(ПТШ).

Контактная разность потенциалов перехода Шотки создает под затвором обедненный слой (рис. 6.21, а), сечение которого можно изменять под действием разности потенциалов Uзи .

Если контактная разность потенциалов затвора перекрывает весь канал при Uзи = 0, то МЕП-транзистор работает в режиме обогащения канала. Для создания проводящего канала и его расширения к затвору необходимо приложить положительное относительно истока напряжение, являющееся прямым для перехода Шотки и, следовательно, сокращающим ширину (сечение) обедненного слоя. Увеличивать Uзи можно лишь до значения, равного примерно 0,7 В, при котором переход Шотки откроется (подобно диоду) и через затвор может начать протекать опасный для транзистора прямой ток. Сток-затворная характеристика такого МЕП-транзистора приведена на рис. 6.21, б.

Если же при Uзи = 0 имеется проводящий канал, то транзистор работает в режиме обеднения канала. Управляющее напряжение на затворе такого транзистора можно изменять от отрицательного напряжения отсечки Uотс (рис. 6.21, в) до положительного напряжения, при котором еще не наступит прямое смещение перехода Шотки, т.е. примерно 0,7 В.

МЕП-транзисторы с обеднением канала более технологичны и шире применяются в интегральной схемотехнике, несмотря на то, что для сме-

88

щения исходной рабочей точки в точку Uотс требуют двух источников электропитания.

Условное обозначение МЕП-транзистора (рис. 6.21, г) совпадает с обозначением полевого транзистора с p–n-затвором.

N+ N+

UЗИ

IС

Рис. 6.21. МЕП-транзистор с затвором Шотки (а), сток-затворные характеристики в режимах обогащения (б) и обеднения (в) канала, схематическое изображение (г)

Полевые транзисторы можно включать по схеме с общим затвором (ОЗ), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Как правило, используют схему ОИ, так как она позволяет получить значительные коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности одновременно.

Преимущества полевых транзисторов:

1) высокое входное сопротивление в схеме ОИ (для транзисторов с

p–n-затвором 106 – 109 Ом, а для транзисторов с изолированным затвором

1014 – 1015 Ом); 2) малый уровень собственных шумов, так как перенос тока осуществ-

ляют только основные для канала носители и, следовательно, нет рекомбинационного шума;

89

3)высокая устойчивость против температурных и радиоактивных воздействий;

4)высокая плотность расположения элементов при изготовлении интегральных схем.

Полевые транзисторы все шире используются в усилителях, генераторах и другой радиоэлектронной аппаратуре, а МОП-транзисторы – в цифровых ЭВМ, включая микропроцессоры.

7.ТИРИСТОРЫ

7.1.Устройство, принцип действия и вольт-амперная характеристика тиристора

Тиристором называют ПП прибор, имеющий три или более p–n- переходов, который может переключаться из закрытого состояния в открытое, и наоборот. Его название происходит от греческого слова thyra (тира), означающего «дверь». Типичной для тиристора является четырехслойная структура ПП с чередующимися слоями p-типа и n-типа: p1 n1 p2 n2. На основе этой структуры в зависимости от числа выводов могут быть изготовлены два типа тиристоров: диодные, называемые динисторами, и триодные, называемые тринисторами.

Диодный тиристор показан на рис. 7.1, а, а тринистор – на рис. 7.1, б. Первый из них имеет два вывода: анод (А) и катод (К), второй – три вывода: анод, катод и управляющий электрод – от одного из внутренних слоев. Условные графические и позиционные обозначения тиристоров показаны на рис. 7.2.

Исходным материалом служит кремний n-типа, в кристалле которого создается структура p n p n. Слои p2, n2 имеют большую концентрацию примесей, а p1 и особенно n1 – меньшую.

Принцип действия тиристора удобно рассматривать сначала без влияния цепи управления. Пусть диодный тиристор VS1 через резистор с сопротивлением Rн подключен к источнику ЭДС Eа (рис. 7.3, а и б).

Положительное напряжение между анодом и катодом называют прямым напряжением тиристора, а отрицательное – обратным. Между соседними парами областей кристалла возникает три p–n-перехода: П1, П2, П3. При обратном напряжении на тиристоре переходы П1, П3 находятся под обратным напряжением, переход П2 – под прямым (рис. 7.3, а). Практически все внешнее напряжение распределяется между переходами П1 и П3. В этом случае тиристор ведет себя так же, как обычный диод при обратном напряжении.

При подаче на тиристор прямого напряжения на переходе П2 будет обратное напряжение, а переходы П1, П3 будут открыты (рис. 7.3, г).

90