ЛЕКЦИЯ 12. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

П л а н л е к ц и и

12.1. Классификация полевых транзисторов (ПТ). Принцип действия полевого транзистора.

12.2. Структура и принцип действия ПТ с управляющим p–n-переходом и барьером Шоттки. Статические ВАХ и параметры в схеме с общим истоком.

12.1. Классификацияполевыхтранзисторов. Принципдействияполевоготранзистора.

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, управление током которого основано на зависимости электрического сопротивления токопроводящего слоя от напряженности поперечного электрического поля.

Полупроводниковый прибор (рис. 12.1), напоминающий современный МОП-транзистор (транзистор со структурой металл–окисел–полупроводник), способный усиливать электрические колебания, был запатентован американским исследователем Юлиусом Лалиенфельдом в 1925 г.

У. Шокли и А. Пирсоном были проведены опыты, в которых полупроводником служил германий, а диэлектриком – тонкая пластинка слюды. Исследования привели к отрицательному результату, так как лишь ~10 % наведенного у поверхности полупроводника заряда участвовало в модуляции проводимости. В настоящее время известно, что причиной этого являются поверхностные состояния в полупроводнике (уровни Тамма).

Металл Воздушный зазор

U

Обедненный слой

Полупроводник n-типа

Рис. 12.1. Конструкция прибора, запатентованного Ю. Лалиенфельдом

ЛЕКЦИЯ 12. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

12.1. Классификация полевых транзисторов. Принцип действия полевого транзистора.

Изобретение биполярного транзистора в 1948 г. не прекратило попыток создать полевой транзистор. Первое успешное решение было предложено У. Шокли в 1952 г. Он предложил создавать p–n-переход в глубине пластины, где нет поверхностных состояний и, подавая на него обратное напряжение, модулировать сопротивление полупроводникового слоя.

Полевые транзисторы являются униполярными приборами, так как в них используются только основные носители заряда – либо электроны, либо дырки.

Слой полупроводника, в котором протекает ток, называется каналом. Электрическое поле, воздействующее на поток носителей, создается с помощью расположенного над каналом металлического электрода, называемого затвором.

Рис. 12.2. Условные обозначения различных типов полевых транзисторов: (И– исток, С – сток, З – затвор): 1, 2 – транзисторы с управляющим p–n-переходом (1 – с n-каналом, 2

– с p-каналом); 3, 4 – МОП-транзисторы со встроенным каналом (соответственно с n- каналом и p-каналом); 5, 6 – МОП-транзисторы с индуцированным каналом (с n-каналом

иp-каналом); 7, 8 – транзисторы с барьером Шоттки (7 – с n-каналом, 8 – с p-каналом)

Внастоящее время существуют три основных разновидности полевых транзисторов:

полевые транзисторы с управляющим p–n-переходом;

полевые транзисторы со структурой металл–окисел–полупроводник или МОП-транзисторы;

полевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТШ).

Условные обозначения различных разновидностей полевых транзисторов на электрических схемах приведены на рис. 12.2.

ЛЕКЦИЯ 12. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

12.2.Структура и принцип действия полевого транзистора суправляющим p–n-переходом и полевого транзистора с барьером Шоттки.

12.2.Структураипринципдействияполевого транзисторасуправляющимp–n-переходоми полевоготранзисторасбарьеромШоттки.

Структура полевого транзистора с управляющим p–n-переходом показана на рис. 12.3. На подложке из p-кремния создается тонкий слой полупроводника n-типа, выполняющий функции канала. На концах канала находятся сильно легированные n+-области, называемые истоком и стоком соответственно, с помощью которых канал включается в цепь управляемого тока. Под металлическим электродом затвора находится p+-слой, образующий с каналом p–n-переход.

Исток Затвор Сток

n–канал

Подложка p+

Рис. 12.3. Структура полевого транзистора

с управляющим p–n-переходом

Полевые транзисторы с барьером Шоттки, структура которых показана на рис. 12.4, имеют принцип действия такой же, как транзисторы с управляющим p–n-переходом. Поэтому ниже рассматриваются полевые транзисторы с управляющим p–n-переходом.

Рис. 12.4. Структура полевого транзистора

с барьером Шоттки

ЛЕКЦИЯ 12. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

12.2. Структура и принцип действия полевого транзистора суправляющим p–n-переходом и полевого транзистора с барьером Шоттки.

Прикладывая к затвору обратное напряжение Uзи, можно изменять ширину обедненной области р–n-перехода. Чем больше обратное напряжение, тем глубже обедненный слой и тем, соответственно, меньше поперечное сечение канала, где протекает ток. Таким образом, меняя обратное напряжение на затворе, можно менять поперечное сечение, а значит и сопротивление канала. В результате будет меняться величина тока стока Ic, протекающего по каналу и выходной цепи транзистора под воздействием приложенного напряжения сток-исток Uси. Поскольку величина выходного тока (тока стока) может быть достаточно большой, а входной ток затвора (ток обратно смещенного р–n-перехода) мал, то обеспечивается усиление по току и по мощности.

Связь между током стока и напряжениями на стоке Uси и затворе Uзи определяется с помощью семейства статических выходных (стоковых) вольтамперных характеристик, выражающих зависимость Iс = f(Uси) при Uзи = const (рис. 12.5, а). Управляющее действие затвора иллюстрируют статические передаточные (сток–затворные) вольт-амперные характеристики (рис. 12.5, б), выражающие зависимость Iс = f(Uзи) при Uси = const. На ВАХ полевого транзистора можно выделить три области: линейную и насыщения и отсечки.

3В

4В

Рис. 12.5. Выходные характеристики (а) и передаточные характеристики (б) транзистора КП103М с каналом p-типа

В линейной области с увеличением напряжения Uси ток стока Ic вначале довольно быстро растет вплоть до точки перегиба и характеристики представляют собой прямые линии, наклон которых определяется напряжением на затворе. В этой области полевой транзистор может использоваться как сопротивление, управляемое напряжением на затворе.

В области насыщения рост тока стока прекращается и характеристики идут практически горизонтально. Это объясняется тем, что при повышении

ЛЕКЦИЯ 12. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

12.2. Структура и принцип действия полевого транзистора суправляющим p–n-переходом и полевого транзистора с барьером Шоттки.

напряжения Uси ток стока должен увеличиваться, но так как одновременно повышается обратное напряжение на p–n-переходе стока, то обедненный слой расширяется, канал сужается, т. е. его сопротивление возрастает и за счет этого ток стока должен уменьшиться. Таким образом, происходят два противоположных воздействия на ток стока, который в результате остается почти постоянным. Увеличение напряжения на стоке выше предельного значения приводит к электрическому пробою p–n-перехода. В области насыщения полевые транзисторы используются в качестве усилительных приборов.

Напряжение сток-исток, соответствующее точкам перегиба,

определяется как Uси = Uзи – Uотс.

При увеличении обратного напряжения на затворе ток стока уменьшается и характеристика проходит ниже. При определенном значении

где Ic max – максимальный ток стока при Uзи = 0, называемый также начальным током Ic.нач.

На практике используют более простое описание ВАХ в области насыщения:

где k = Ic.нач/U2отс – постоянный коэффициент, зависящий от геометрических и электрофизических параметров транзистора.

В линейной области ВАХ ПТ описывается выражением

К низкочастотным параметрам ПТ, определяемым по ВАХ, относятся крутизна S, выходное сопротивление Ri (выходная проводимость g22 = 1/Ri) и сопротивление канала Rк.

ЛЕКЦИЯ 12. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

12.2. Структура и принцип действия полевого транзистора суправляющим p–n-переходом и полевого транзистора с барьером Шоттки.

Основной параметр ПТ – крутизна – определяется частной производной передаточной характеристики при заданном (постоянном) напряжении сток-исток:

Крутизна характеризует усилительные свойства полевого транзистора в области насыщения и измеряется в сименсах (См) или как чаще принято называть – в миллиамперах на вольт.

Дифференцируя (12.2), можно найти зависимость крутизны от тока стока и напряжения затвор-исток:

где Smax = 2Ic.нач/|Uотс| – максимальное значение крутизны при Uзи = 0.

Второй параметр – выходное (внутреннее) сопротивление Ri,

называемый также дифференциальным сопротивлением – представляет сопротивление канала ПТ переменному току:

Оно характеризует слабо выраженную зависимость тока стока от напряжения сток-исток. На участке насыщения Ri может достигать сотен килоом.

Параметром линейной области ВАХ ПТ является сопротивление канала постоянному току Rк = Uси/Ic, зависящее от напряжения затвор-исток Uзи.

Иногда используется такой параметр, как статический коэффициент усиления, который показывает, во сколько раз сильнее действует на ток стока изменение напряжения на затворе, чем изменение напряжения на стоке:

К параметрам ПТ относится также его входное сопротивление, определяемое как

Поскольку ток затвора Iз – это очень малый ток обратно смещенного p–n-перехода (ток утечки), то входное сопротивление полевого транзистора достигает единиц и десятков мегаом.

Измерение или графический расчет крутизны и выходного (внутреннего) сопротивления ПТ по его ВАХ выполняют по конечным приращениям тока стока и напряжений затвор-исток и сток-исток:

ЛЕКЦИЯ 12. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

12.2. Структура и принцип действия полевого транзистора суправляющим p–n-переходом и полевого транзистора с барьером Шоттки.

Полевые транзисторы характеризуются предельными параметрами, которые приводят в справочных данных.

Например, для полевого транзистора КП103М приводят следующие предельные параметры:

предельное напряжение затвор-исток Uзи пред = 17 В;

предельное напряжение сток-исток Uси пред = 10 В; максимальный ток стока Iс.max = 10 мА;

максимальная рассеиваемая мощность Рс.max = 120 мВт при температуре

Т = 218–358 К.