Оценим по порядку величины значения коэффициентов усиления по напряжению и по мощности. Для некоторых типов биполярных транзисторов изменение напряжения на эмиттерном переходе ∆U эб ~ 0,01В приводит к изменению на коллекторном
переходе ∆U кб ~ 5 В, следовательно, в соответствии с (3.5) для коэффициента усиления по напряжению получим
kU = ∆U кб ~ 500 .
∆U
эб
Из (3.6) непосредственно следует, что такое же значение по порядку величины имеет и коэффициент усиления по мощности.
3.2. Полевой транзистор
Полевой транзистор – это униполярный полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей заряда одного типа (электронов или дырок), протекающим через проводящий канал, управление которого осуществляется поперечным электрическим полем. Существуют три основных способа управления продольной проводимостью канала: 1) полем обратносмещенного р-п-перехода (полевые транзисторы с управляющим электродом (затвором) в виде р-п- перехода), 2) полем контакта металл – полупроводник (полевые транзисторы с барьером Шоттки) и 3) полем заряженного металлического электрода, изолированного от полупроводника тонким слоем диэлектрика (полевые транзисторы с изолированным затвором или МДП-транзисторы (транзисторы со структурой металл – диэлектрик – полупроводник)).
В настоящее время наибольшее применение в технике находят МДП-транзисторы, поэтому данный раздел будет целиком посвящен именно этому типу полевых транзисторов.
Принцип действия полевого транзистора с изолированным управляющим электродом был впервые предложен Лилиенфельдом и Хейлом в начале 30-х годов ХХ столетия.
Позднее, в конце 40-х годов, теорию работы этих приборов развивали Шокли и Пирсон. В 1960 году Канг и Аталла изготовили первый кремниевый МДП-транзистор (транзистор со структурой металл – диоксид кремния – кремний, который иногда называют МОП-транзистором по первым буквам названия структуры металл –окисел – полупроводник).
Схематические изображения МДП-транзисторов на кремнии р- и п-типа представлены на рис. 3.4. В полупроводнике с относительно высоким удельным сопротивлением созданы две сильнолегированные области с противоположным типом электропроводности. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Расстояние между сильнолегированными областями истока и стока может составлять доли микрометра. Поверхность полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким (порядка сотых долей
а |
З |
С |
И |
||
п+ |
|
п+ |
р
б |
И |
З |
С |
|
|||
|
р+ |
|
р+ |
п
Рис. 3.4. Схематическое изображение МДП-транзисторов с п-каналом (а) и р-каналом (б) (И – исток; З – затвор; С – сток).
микрометра) слоем диэлектрика, например, диоксида кремния. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод – затвор.
Принцип работы полевого транзистора с изолированным затвором рассмотрим на примере п-канального МДПтранзистора, сформированного на кремнии р-типа (рис. 3.5). Смысл термина «п-канальный» транзистор будет ясен из анализа физических процессов, происходящих в таком транзисторе.
При напряжении между затвором и истоком равным нулю и при положительном напряжении между стоком и истоком ток в цепи стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток стокового р-п-перехода.
При подаче на затвор положительного смещения условия в приповерхностной области полупроводника изменяются. По мере того, как на затворе накапливается положительный заряд, свободные дырки, присутствующие в полупроводнике р-типа, вытесняются из области, расположенной непосредственно под затвором, и в ней образуется обедненный слой (рис. 3.5а).
а |
UЗ1 |
UС1 |
|
И |
|||
З |
С |
||
п+ |
|
п+ |
Обедненная
робласть
в |
U З3 |
UС3 |
|
И |
|||
З |
С |
||
п+ |
|
п+ |
|
р |
Канал |
|
б |
UЗ2 |
|
UС2 |
|
З |
||
|
И |
С |
|
п+ |
|
|
п+ |
р |
Канал |
|
|
|
|
|
|
г |
U З4 |
|
UС4 |
|
|
||
|
И |
З |
С |
п+ |
|
|
п+ |
р |
Канал |
|
|
Рис. 3.5. МДП-транзистор с п-каналом: а – режим обеднения
(U З1 >0 , UС1 >0 , UС1 <<U З1 ); б – режим |
сквозного |
|
инверсионного канала (U З2 >U З1 , |
UС2 <<U З2 ); в – режим |
|
начала отсечки канала (U З3 =U З2 , |
UС3 ~ U З3 ); |
г – режим |
уменьшения длины канала (U З4 =U З3 , UС4 >U З4 ).
При достижении определенной степени обеднения продолжающееся увеличение смещения затвора вызывает притяжение к поверхности полупроводника подвижных отрицательно заряженных электронов. Когда в области канала накопится достаточное количество электронов, тип проводимости приповерхностной области полупроводника изменится с дырочного на электронный (рис. 3.5б), другими словами, произойдет инверсия типа проводимости. При этом
исток и сток окажутся соединенными друг с другом посредством инверсионного слоя с проводимостью п-типа, служащего каналом. Отсюда прибор такого типа называют п- канальным полевым транзистором. Существуют полевые транзисторы и с каналом р-типа. Такие приборы изготавливаются на основе полупроводника п-типа, а области истока и стока являются областями р+-типа (областями с высокой концентрацией акцепторной примеси).Подавая на затвор сигнал, можно модулировать количество носителей заряда в канале, так что затвор по существу регулирует ток, протекающий в канале. При малом значении напряжения на стоке инверсионный слой простирается на всю область канала, соединяя области истока и стока. При таких условиях ток стока зависит от потенциалов стока и затвора.
При постоянном потенциале затвора увеличение потенциала стока изменяет условия в области канала. Ток в цепи исток – сток вызывает падение напряжения вдоль канала. Это ведет к уменьшению напряжения между затвором и полупроводником, т.е. на диэлектрике, изолирующем затвор, причем наибольшее уменьшение напряжения имеет место вблизи стока. Когда падение напряжения в канале достигает такой величины, при которой поле в диэлектрике уменьшается настолько, что инверсионный слой вблизи стока исчезает, канал переходит в состояние перекрытия (рис. 3.5в), и ток стока стремится при этом к некоторой величине, не зависящей от потенциала стока. Говорят, что транзистор в этом случае находится в состоянии насыщения. При дальнейшем повышении потенциала стока точка отсечки канала движется к истоку, длина инверсионного канала уменьшается (рис. 3.5г) и МДП-транзистор переходит в состояние все более глубокого насыщения.
Правее точки отсечки (перекрытия) канала имеется область обеднения подвижными носителями заряда, простирающаяся
вплоть до стока. Токопрохождение в этой области полупроводника связано с инжекцией в данном случае электронов из канала транзистора. Это подобно процессу инжекции носителей заряда переходом эмиттер – база биполярного транзистора в обедненную область его коллекторного перехода.
Типичный вид семейства выходных вольт-амперных характеристик (зависимости тока стока от напряжения между стоком и истоком) МДП-транзистора представлен на рис. 3.6. В качестве параметра, определяющего отдельную характеристику семейства, выбрано напряжение между
IC Линейная |
Область |
область |
насыщения |
U З1
U З2 < U З1
U З3 < U З2
U З4 < U З3
0 |
UC |
Рис. 3.6. Выходные вольт-амперные характеристики МДП-транзистора с п-каналом.
затвором и истоком.
На семействе вольт-амперных характеристик можно выделить две области (линейную область и область насыщения), разделенные штриховой линией. В этих точках (при конкретных, связанных между собой потенциалах затвора и стока) имеет место отсечка канала. Видно, что в линейной области (до отсечки) ток стока IС растет с
увеличением потенциала стока, а в области насыщения (после отсечки канала) ток стока практически не зависит от потенциала стока. С увеличением потенциала затвора растет ток стока и отсечка канала наступает при бóльших потенциалах стока.