жет работатьвопределенномдиапазонетоков, напряженийимощностей. Нельзя, например, превышать определенную величину тока коллектора, нельзя использовать транзистор при напряжении на коллекторе меньше определенной величины. Эти границы использования принято называть предельными или предельно допустимыми режимами. Предельныйрежим(вотличиеотпредельнодопустимого) определяетсятолькофизическойграницейвозникновенияявлениявтранзисторе, которое делает его неработоспособным, т.е. предельный режим — это физическая граница возможного использования. Однако из-за неизбежного разброса параметров полупроводниковых приборов, необходимости повышения надежности при эксплуатации на практике используется (приводится в ТУ и справочниках) предельно допустимый режим. Предельно допустимый режим — режимная граница использования транзистора, определяемая (помимо физической границы) некоторыми соображениями технико-экономического характера. На практике это означает введение коэффициента запаса.

Наиболее важные для эксплуатации полупроводниковых приборов параметры— максимальнодопустимыетоки, напряженияимощности.

1.5. Полевые транзисторы

Полевые (униполярные) транзисторы — это полупроводниковые активные элементы. В основе их работы используются подвижные носители зарядов лишь одного типа — только электроны или только дырки. Наиболее характерная черта полевых транзисторов

— высокое входное сопротивление. Поэтому они управляются напряжением, а не током, как биполярные транзисторы. Наибольшее распространение получили два основных типа полевого транзистора: транзистор с управляющим p-n переходом и транзистор со структурой «металл-диэлектрик-полупроводник» (МДП).

Принцип действия полевого транзистора с p-n переходом основан на изменении сопротивления активного слоя (канала) путем расширения p-n перехода при подаче на него напряжения обратного смещения. На рис. 1.19 приведен идеализированный разрез полевого транзистора с n-каналом. Выводы, сделанныеотпротивоположныхсторон пластиныполупроводникаn-типа, называютсяистокомистоком(обозначены И и С соответственно). Вывод от p-области называется затво-

31

ром (обозначен буквой З). В большинстве случаев выводы от затворов соединены между собой, поэтому в полевом транзисторе (заключенном в корпус) имеется лишь один внешний вывод от затвора.

Расстояниемеждуp-n переходаминазываетсяширинойканалаW, а n-область между переходами — каналом. При приложении напряжения между стоком и истоком Uси в цепи «сток-исток» будет протекать ток Ic , величина которого определяется сопротивлением канала при постоянном Uси . Теперь приложим напряжение между затвором и истокомUзи («+» наистоке, «–» назатворе). ЗасчетнапряженияUзи переходысместятсявобратномнаправленииисоответственнорасширятся, вследствие чего ширина канала уменьшится, а сопротивление возрастет. С возрастанием сопротивления канала ток стока Ic уменьшится. Такимобразом, изменяянапряжение, можноуправлятьтокомстока.

Полевыетранзисторымогутбытьвыполненыкаксn-, такисp-кана- лом. В основе дальнейшего рассмотрения будем использовать наиболее распространенныйполевойтранзисторсn-каналом(рис. 1.19).

МаксимальнаяширинаканалаимеетместоприUзи = 0. Посколькув основу работы полевого транзистора положен принцип изменения ширины канала, то для транзистора с n-каналом Uзи можно изменять от нуля в сторону отрицательных значений, т.е. p-n переходы затвора всегдадолжныбытьсмещенывобратномнаправлениииихсопротивление должнобытьвелико. Напряжениеназатворе, прикоторомp-n переходы смыкаются (канал исчезает), называют напряжением отсечки U0. Этот параметр — одинизосновныхдлялюбогополевоготранзистора.

Необходимо отметить, что при воздействии напряжения Uси p-n переходы затвора тоже смещаются в обратном направлении. Но при этом напряжение, действующее в канале вблизи стока, имеет большее значение (p-n переход шире), чем вблизи истока. Этим обстоятельством и определяется вид выходных ВАХ полевого транзистора, приведенных на рис. 1.20. Напряжение, начиная с которого формируется пологаячастьхарактеристики(т. С), принято называть напряжением

32

насыщения Uсн. Его можно рассчитать как Uсн = U0 – Uзи , откуда следует, что при увеличении Uзи (по абсолютной величине) напряжение Uсн уменьшается (см. рис. 1.20).

Другая важная характеристика полевого транзистора, представляющая его свойства, — это стоко-затворная ВАХ. Для нее можно записать:

где Ic max— максимальный ток стока, имеющий место при Uзи = 0.

На рис. 1.21 приведена стоко-затворная ВАХ полевого транзистора с n-каналом.

Один из основных параметров любого полевого транзистора — крутизна s = dIс / dUзи (мА/В), которуюможнорассчитатьпоформуле:

где smax — максимальная крутизна, имеющая место при Uзи = 0.

Из (1.13) и (1.14) следует, что при увеличении рабочего напряжения Uзи ток стока и крутизна полевого транзистора уменьшаются.

Дифференциальное сопротивление стока (внутреннее сопротивление транзистора) rc = dUси / dIc в области пологой части выходных ВАХ полевого транзистора, согласно (1.14), равно бесконечности (на практике rc обычно составляет несколько МОм). Для расчета rc можно пользоваться следующей формулой:

33

где rc1 — сопротивление стока при Ic = Ic1.

Таким образом, зная сопротивление rc1 при определенном токе Ic1, можно определить rc при любом другом Ic. Из (1.15) следует, что с падением тока стока rc возрастает.

Дифференциальное сопротивление стока практически не зависит от Uси при небольших его значениях. Однако увеличение Uси может вызвать лавинный пробой p-n переходов в полевом транзисторе. При этом ток стока резко возрастает, а rс значительно уменьшается. Лавинный пробой p-n переходов затвора — основная причина, ограничивающая использование полевого транзистора по напряжению на стоке. Величина максимально допустимого напряжения стока обычно несколько меньшенапряжениялавинногопробоя(сучетомкоэффициентазапаса).

Коэффициент усиления по напряжению ìu = dU си/dU зи — еще один важный параметр полевого транзистора. Нетрудно показать, что µu = src . Коэффициент µu при уменьшении тока стока несколько возрастает.

Инерционность полевого транзистора обусловлена несколькими факторами. Главный из них определяется временем заряда барьерной емкости переходов затвора. Поэтому эквивалентную схему, описывающую частотные свойства полевого транзистора, можно представить ввиде, изображенномнарис. 1.22. ЗдесьСз — средняяемкостьзатвора, rкан — среднее продольное сопротивление канала. Воспользовавшись этой эквивалентной схемой, запишем для постоянной времени затвора τз = Сзrкан , откудадляграничнойчастотыполевоготранзистора

34

Рис. 1.23. Эквивалентные схемы полевого транзистора

для переменных составляющих токов и напряжений полевого транзистора, где емкость затвора условно разделена на две части: Cзи (затвор-исток) и Cзс (затвор-сток). Эти эквивалентные схемы

— основа для построения эквивалентных схем усилительных каскадов на полевых транзисторах.

При изменении рабочей температуры определенным образом будут изменяться и параметры полевых транзисторов. При возрастании температуры, соднойстороны, уменьшаетсявысотапотенциальногобарьера переходов затвора, уменьшается их ширина, ширина канала возрастает, сопротивление канала падает и соответственно ток стока увеличивается. Сдругойстороны, уменьшаетсяподвижностьэлектроноввканале, чтоприводитквозрастаниюсопротивленияканалаисоответственно падению тока стока. Таким образом, эти два температурно-зависимых параметрадействуютвстречно, частичнокомпенсируяизмененияIc .

Наиболее характерная черта полевых транзисторов — высокое входное сопротивление. В полевых транзисторах с p-n переходом входное сопротивление определяется обратными токами переходов затвора. Для кремниевых полевых транзисторов входное сопротивление находится в пределах 109...1012 Ом.

Рассмотрим МДП-транзистор (металл-диэлектрик-полупровод- ник), который называют транзистором с изолированным затвором или МОП-транзистором (металл-оксид-полупроводник). В основе работыМДП-транзистора используется возможность изменить величину и знак электропроводности на границе полупроводника с диэлектриком под действием приложенного напряжения. На рис. 1.24 приведены упрощенные разрезы МДП-транзисторов с n-каналами — индуцированным (а) и встроенным (б). В силу ряда технологических причин наибольшее распространение получили МДП-транзисторы со встроенным n-каналом и с индуцированным p-каналом.

35

Рис. 1.24. МДП-транзисторы с n-каналами

Для МДП-транзисторов, изображенных на рис. 1.24, выводы от областей n-типа называются истоком и стоком (как и в полевом транзисторе с p-n переходом). Вывод от металлической пластины, расположенной на диэлектрике над областью между истоком и стоком, называется затвором. Нижний вывод, являющийся выводом от подложки, соединяется с истоком (в дискретных транзисторах) или с общей шиной (в интегральных схемах).

В МДП-транзисторе с индуцированным каналом при напряжении Uзи = 0 канал отсутствует и соответственно при приложении разности потенциалов между стоком и истоком Uси ток стока Ic = 0. При превышении положительным напряжением на затворе определенного напряжения происходит образование канала за счет притяжения собственных электронов подложки к затвору под действием электрического поля. Напряжение U0 , начиная с которого образуется канал (возникает ток стока), принято называть напряжением отсечки, или пороговым напряжением. При Uзи > U0 в МДП-тран-

зисторах с индуцированным n-ка- налом увеличение напряжения на затворе будет приводить к уменьшению сопротивления канала за счет обогащения поверхности электронами. Ток стока Ic при этом увеличивается. На рис. 1.25 (кривая 1) приведена стоко-зат- ворная ВАХ для МДП-транзисто- ра с индуцированным n-каналом. Эта характеристика иллюстрирует изложенное выше.

36

В МДП-транзисторе со встроенным каналом при Uзи = 0 канал присутствует и при Uси > 0 протекает ток стока (рис. 1.25, кривая 2). При увеличении положительного напряжения Uзи ток стока Iс возрастает. При увеличении же отрицательного напряжения на затворе канал обедняется электронами и соответственно Ic уменьшается. При дальнейшем увеличении отрицательного напряжения на затворе канал исчезает, а начиная с Uзи = U0 ток стока становится практически равным нулю. В данном случае U0 — напряжение отсечки.

Рассмотрим выходные (стоковые) ВАХ МДП-транзисторов. На рис. 1.26 приведены выходные характеристики для МДП-транзис- торов с n-каналом — индуцированным (а) и встроенным (б). При заданном напряжении на затворе по мере увеличения Uси от нулевого значения ток стока возрастает сначала линейно (область крутой части ВАХ), затем скорость его возрастания уменьшается и, наконец, при достаточно больших значениях Uси ток стремится к постоянной величине. Прекращение возрастания тока связано с перекрытием канала вблизи стока. Как только канал перекрыт, ток стока практически остается постоянным на данном уровне, т.е. в первом приближении становится независимым от напряжения на стоке (область пологой части ВАХ). Для пологой части ВАХ — основной рабочей области для усилительных устройств — можно записать:

Крутизну МДП-транзистора для пологой области ВАХ нетрудно получить из (1.17) в следующем виде:

Рис. 1.26. Выходные вольт-амперные характеристики МДП-транзистора

37

В формулах (1.17) и (1.18) коэффициент k (A/B2) определяется конструкцией и технологией изготовления транзистора. Крутизна как МДП-транзистора, так и полевого транзистора с p-n переходом уменьшается с падением тока стока.

Помимо крутизны многие другие параметры МДП-транзисто- ров имеют аналогичные полевым транзисторам с p-n переходом зависимости от режима работы и температуры. Так, сопротивление стока в МДП-транзисторах может быть рассчитано по (1.15). Частотные свойства, влияние температуры на ток стока и многие другие параметры и характеристики МДП-транзисторов имеют весьма схожие показатели с полевыми транзисторами с p-n переходом.

Входное сопротивление МДП-транзисторов определяется в основном утечками диэлектрика, поэтому оно достигает весьма больших значений 1012...1015 Ом.

Засчетприложениябольшихнапряженийкзатворуилизасчетвнутренних зарядов в диэлектрике может произойти пробой изолирующей пленки диэлектрика и транзистор выйдет из строя. Поэтому нельзя использовать и хранить МДП-транзисторы с оборванным затвором. МДП-транзисторы хранятся со специальными закорачивающими приспособлениями (все выводы транзистора замкнуты между собой). При измерении параметров МДП-транзисторов съемное закорачивающее приспособление должно быть снято только перед включением транзисторавгнездоизмерительногоприбора. Послепроведенияизмеренийнеобходимовновьустановитьзакорачивающееприспособление.

При работе МДП-транзистора в конкретном устройстве всегда должна существовать электрическая связь между затвором и шиной нулевого потенциала, причем сопротивление этой цепи для напряжений, бо′льших 50В, не должно превышать 1 МОм, т.е. реальное входное сопротивление МДП-устройств при использовании в цепи затвора обычных линейных резисторов не может быть больше 1 МОм.

Помимо рассмотренных выше двух основных типов полевых транзисторов, наиболее часто используемых на практике, существует несколько их разновидностей, а также самостоятельных типов. Среди них наиболее перспективные СВЧ МДП-транзисто- ры с коротким каналом и МНОП-транзисторы. Кроме того, активные МДП-структуры широко используются в приборах с зарядовой связью и других устройствах микроэлектроники.

38