А.С. Низов, А.Н. Штин, К.Г. Шумаков - Электроника Курс лекций

сыщения (UСИ НАС), а выходной ток – начальным током стока (IС НАЧ). Участки насыщения характеристик ПТ являются рабочими.

Дальнейшее повышение выходного напряжения (участок СD на рисунке 6.5) приводит к электрическому пробою и выходу ПТ из строя.

Если на затвор подать напряжение по абсолютной величине больше или меньше UЗИ1, то проводящее сечение канала соответственно уменьшится или увеличится. Ток стока при этом также уменьшится или увеличится, а характеристики пройдут ниже или выше характеристики, снятой при UЗИ1.

Регулирующее действие входного напряжения затвора UЗИ на выходной ток IС наглядно иллюстрируют управляющие характеристики, выражающие зависимость выходного тока от входного напряжения, снятые при постоянном выходном напряжении – IС = f(UЗИ) при UСИ = const. Для схемы с общим истоком (рисунок 6.4, б) они приведены на рисунке 6.6, а. Обычно их представляют одним графиком, так как значения тока IС в рабочем режиме (участок ВС на рисунке 6.5) практически не зависят от выходного напряжения UСИ. Поэтому все управляющие характеристики проходят очень близко друг от друга. В качестве примера на рисунке 6.6, б приведены управляющие характеристики реального ПТ типа КП103М, снятые при различных значениях UСИ.

На рисунке 6.5, а видно, что при подаче на затвор входного напряжения, равного UЗИ ОТС, выходной ток IС = 0. По мере уменьшения UЗИ токопроводящее сечение канала будет возрастать, а IС расти и при UЗИ = 0 достигнет максимума – IС МАХ.

Рисунок 6.6 – Управляющие характеристики полевого транзистора с управляющим р–n переходом

91

6.2.3 Параметры полевых транзисторов

Кроме напряжения отсечки UЗИ ОТС и максимального тока стока IС МАХ, ПТ в рабочем режиме характеризуется следующими статическими характеризующими параметрами.

1. Крутизна S управляющей характеристики – показывает эффективность управляющего действия затвора:

4 = *$ , при UСИ = const.

6 ¡

Для расчета численного значения S необходимо знать рабочую точку ПТ на управляющей характеристике. Допустим, это т. G на рисунке 6.6, а. Далее выбирается еще одна точка на этой же характеристике, например т. Н на рисунке 6.6, а. По проекциям этих точек на оси напряжения и тока определяются данные для расчета крутизны

S.В зависимости от типа ПТ S = 0,3 ... 12 мА/В.

2.Выходное (внутреннее) сопротивление RВЫХ – сопротивление ПТ в рабочем режиме между истоком и стоком:

Для расчета численного значения RВЫХ необходимо знать рабочую точку ПТ на выходных характеристиках. Допустим, это т. Е на рисунке 6.5. Далее выбирается еще одна точка на этой же характеристике, например т. F на рисунке 6.5. По проекциям этих точек на оси напряжения и тока определяются данные для расчета выходного сопротивления RВЫХ. В зависимости от типа ПТ RВЫХ = 1 ... 100 кОм.

3. Статический коэффициент усиления по напряжению μ – показывает, во сколько раз изменение напряжения на затворе сильнее действует на ток стока, чем изменение напряжения стока:

Величина μ у ПТ находится в пределах 10 ...1000.

Кроме вышеперечисленных параметров, полевые транзисторы обладают и максимально допустимыми значениями: межэлектродными максимальными напряжениями (UСИ МАХ, UЗИ МАХ, UЗИ МАХ), максимальной мощностью рассеивания на стоке (РС МАХ) и интервалом допустимых температур (ТМАХ, ТМIN).

92

6.3 Полевые транзисторы с изолированным затвором

6.3.1 Общие сведения

Дальнейшим развитием ПТ являются транзисторы с изолированным затвором. В них электрод затвора (3) отделен от полупроводникового канала слоем диэлектрика, что позволяет получить у этих транзисторов входное сопротивление порядка 1010 ... 1015 Ом.

В качестве диэлектрика в кремниевых приборах обычно используют диоксид кремния (SiO2), так как его относительно легко получить высокотемпературным окислением на кремниевой пластине, из которой изготавливается транзистор. В связи с этим такие ПТ иногда называют МОП-транзисторами («металл–оксид–полупроводник»). Чаще в литературе встречается их другое, более общее название – МДП-транзисторы («металл–диэлектрик–полупроводник»). В данном разделе мы будем пользоваться этим термином.

Кроме истока, стока и затвора МДП-транзисторы имеют еще один вывод – подложку, которая может дополнительно влиять на ток стока.

МДП-транзисторы имеют две конструктивные разновидности:

с индуцированным каналом и с встроенным каналом (рисунок 6.7).

Рисунок 6.7 – Условные графические и буквенные обозначения МДП-транзисторов с индуцированным каналом (а, б) и со встроенным каналом (в, г) с каналами р- (а, в) и n- (б, г) типов

6.3.2 МДП-транзисторы с индуцированным каналом

Принцип работы МДП-транзисторов с индуцированным каналом (МДП-ИК) рассмотрим на примере транзистора с каналом р-типа (рисунок 6.7, а).

Структурная схема такого транзистора приведена на рисунке 6.8. Он выполнен на основе кристаллической пластинки кремния n-типа с малой концентрацией примесей, называемой подложкой (область «n–» на рисунке 6.8). По краям подложки создаются области полупроводника противоположной проводимости с большой концентрацией примесей (области «р++» на рисунке 6.8). Одна из этих областей используется как исток (И), другая как сток (С). Затвор изолирован

93

от полупроводникового кристалла тонким слоем диэлектрика (слой Д на рисунке 6.8). Исток, сток, затвор и подложка имеют выводы (И, С, З, П на рисунке 6.8) для включения транзистора во внешнюю цепь. Подложка обычно соединяется с истоком.

В МДП–ИК с каналом р-типа на исток подается «+», а на сток «–». Если при таком напряжении разность потенциалов между затвором и истоком равна нулю (входное напряжение UЗИ = 0), то в р–n переходе «исток–подложка» возникнет небольшой запирающий слой, вызванный хаотичным движением основных носителей, а р–n переход «подложка-сток» будет включен в обратном направлении. Поэтому оба перехода будут иметь очень большое сопротивление, и ток IС по цепи исток–сток не потечет (рисунок 6.8, а).

Если на затвор подать отрицательный, относительно истока (а следовательно, и относительно подложки), потенциал (входное напряжение UЗИ < 0) , то отрицательное электрическое поле через диэлектрик Д проникает (индуцируется) на некоторую глубину в слой подложки (рисунок 6.8, б). Под действием этого поля основные носители подложки (электроны), как отрицательно заряженные частицы, начинают выталкиваться из ее верхней части в нижние, а неосновные (дырки), как положительно заряженные, – подниматься вверх.

Рисунок 6.8 – Структурная схема и принцип работы МДП-транзистора с индуцированным каналом р-типа при UЗИ =0 (а) и при UЗИ > UЗИ ПОР (б)

Когда входное напряжение UЗИ достигнет некоторой величины, которое будет называться пороговым UЗИ ПОР, концентрация электронов и дырок в верхней части подложки сравняется. При этом дырки из истока под действием отрицательного электрического поля нач-

94

нут поступать в подложку. Здесь они будут являться неосновными носителями, и для них р–n переход «подложка-сток», к которому приложено обратное напряжение, будет открыт. В транзисторе по цепи «исток–сток» появляется небольшой ток IС. Таким образом, при подаче достаточного отрицательного напряжения на затвор в подложке МДП-ИК создается (индуцируется) токопроводящий канал с дырочной проводимостью (р-типа), соединяющий исток со стоком, который называется индуцированным каналом (ИК на рисунке 6.8, б). Очевидно, что высота этого канала, а следовательно, и величина тока IС будут зависеть от величины напряжения UЗИ. Чем больше по абсолютной величине отрицательное напряжение UЗИ, тем больше ток стока транзистора.

Рисунок 6.9 – Схема включения с общим истоком (а) и управляющая характеристика (б) МДП-транзистора с индуцированным каналом р-типа

На рисунке 6.9 приведены схема включения с общим истоком и управляющая характеристика МДП-ИК с каналом р-типа для этой схемы. Из характеристики видно, что ток IС начинает протекать при UЗИ = UЗИ ПОР и возрастает в дальнейшем при увеличении этого напряжения.

6.3.3 МДП-транзисторы с встроенным каналом

Принцип работы МДП-транзисторов с встроенным каналом (МДП-ВК) рассмотрим на примере транзистора с каналом р-типа (рисунок 6.7, в).

95

Этот вид полупроводникового прибора практически аналогичен МДП-ИК. Отличие заключается в том, что в нем при изготовлении создают (встраивают) токопроводящий канал, соединяющий исток со стоком. В рассматриваемом нами виде транзистора (МДП-ВК с каналом р-типа) этот канал будет с дырочной проводимостью. Поэтому даже при входном напряжении UЗИ = 0 по встроенному технологически каналу будет протекать ток IС (рисунок 6.10, а).

Если на затвор подать отрицательный, относительно истока (а следовательно, и относительно подложки), потенциал (входное напряжение UЗИ < 0), то отрицательное электрическое поле вытеснит основные носители подложки (электроны) и увеличит высоту канала (рисунок 6.8, б). Сопротивление ПТ будет стремиться к нулю, а ток стока IС – резко возрастать (рисунок 6.10, б).

Рисунок 6.10 – Структурная схема и принцип работы МДП-транзистора

с встроенным каналом р-типа при UЗИ =0 (а), при UЗИ = UЗИ1 (б), при UЗИ = UЗИ ОТС (в) и его управляющая характеристика в схеме

с общим истоком (г)

96

При приложении к затвору положительного, относительно истока, потенциала (входное напряжение UЗИ > 0), основные носители подложки (электроны) будут заполнять канал, его высота уменьшится, а ток IС упадет. При некотором напряжении, называемом напряжением отсечки UЗИ ОТС, проводящий канал исчезнет, и ток стока прекратится (рисунок 6.10, в).

Схема включения с общим истоком МДП-ВК с каналом р-типа аналогична схеме, изображенной на рисунке 6.9, а, с соответствующей заменой условного изображения МДП-ИК (рисунок 6.7, а) на МДП-ВК (рисунок 6.7, в).

Управляющая характеристика МДП-ВК в схеме с общим истоком приведена на рисунке 6.10, г.

Принцип работы МДП-транзисторов с каналами n-типа аналогичен принципу действия транзистора с каналами р-типа. Отличия заключаются в том, что носителями заряда в них будут являться электроны, а структура транзистора, напряжения и токи будут противоположными тем, которые изображены на рисунках 6.8—6.10.

6.4 Сравнение полевых и биполярных транзисторов. Применение полевых транзисторов

В таблице 6.1 приведены некоторые сравнительные характеристики биполярных и полевых транзисторов.

Недостатком ПТ с управляющим р–n переходом является относительно большое сопротивление канала в открытом состоянии. Следствием этого являются достаточно большие падения напряжения и потери мощности в открытом транзисторе. Поэтому такие ПТ нашли применение в маломощных схемах.

Полевые транзисторы также чувствительны к электрическим перегрузкам. Электростатические заряды, накапливаемые на теле человека, измерительных приборах и так далее, во многих случаях могут привести к нарушению структуры ПТ. Поэтому при работе с ПТ, особенно с изолированным затвором, необходимо соблюдать меры предосторожности (например, при их пайке все выводы следует закоротить).

97

Таблица 6.1 — Сравнение между собой биполярных и полевых транзисторов

Наибольшее применение в электронике нашли МДП-транзисторы с индуцированным каналом.

Из-за того что ПТ потребляют значительно меньше энергии, чем биполярные, они используются в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения. Ярким примером таких устройств являются цифровые наручные кварцевые часы, которые, благодаря применению МДПтранзисторов, могут работать несколько лет, потому что практически не потребляют энергии.

Быстрыми темпами развиваются области применения мощных ПТ в силовой электронике. В радиопередающих устройствах они позволяют получить высокую чистоту спектра излучаемых радиосигналов, уменьшить уровень помех и повысить надёжность радиопередатчиков. Ключевые мощные ПТ успешно заменяют и вытесняют мощные биполярные транзисторы. В силовых преобразователях они позволяют значительно повысить частоту преобразования и, тем самым, резко уменьшить весогабаритные параметры оборудования. В усилителях звуковых частот высшего (Hi-Fi) и «элитного» (Hi-End) классов мощные ПТ успешно заменяют электронные лампы, так как обладают малыми нелинейными и динамическими искажениями.

98

Однако наибольшее применение МДП-транзисторы с индуцированным каналом нашли в области IT-технологий. Они являются основными элементами современных сверхбольших интегральных схем (СБИС). Их габариты, энергопотребление и скорость работы определяют, в основном, прогресс развития информационных систем. Технологии изготовления СБИС принято характеризовать минимальной длиной (lK MIN) проводящего канала (рисунок 6.8, б). В таблице 6.2 показана динамика уменьшения lK MIN МДПтранзисторов.

Таблица 6.2 – Снижение длины канала МДП-транзисторов по годам

Дальнейшее снижение длины канала невозможно по физическим причинам, так как кремний не поддается большему дроблению. Прогресс может быть достигнут поиском новых материалов. Один из многообещающих полупроводников будущего – индий-галлий-арсенид. Однако в настоящее время его производство слишком дорогое.

В современных СБИС широко используют сочетание МДП– транзисторов с каналами обоих типов проводимости – р- и n-типов. Такие электронные схемы называют комплиментарными (КМОП).

6.5 Пример схемы на полевом транзисторе

Вкачестве иллюстрации работы ПТ с управляющим р–n переходом рассмотрим схему по рисунку 6.11.

Вэтой схеме ПТ(VT1) работает в ключевом режиме и служит для управления биполярным транзистором (VТ2), который в свою очередь включает или отключает светодиод (VD).

Висходном состоянии электрический потенциал верхнего проводника схемы, подключенного к «+» источника EК, равен +10 В,

апотенциал нижнего, подключенного к «–» источника EК, — 0 В (рисунок 6.12, а). Тогда резисторы R1 и R2, действуя как делитель напряжения, создадут на истоке VT1 (т. И) потенциал, равный

99

Рисунок 6.11 – Схема для включения светодиода прикосновением руки

Потенциал затвора VT1 (т. З) выше потенциала истока VT1 (т. И). Поэтому ток по цепи +ЕК, R3, т. З, т. И, R1, –ЕК не протекает. На резисторе R3 не создается падение напряжения, поэтому потенциал затвора (т. З) будет также равен +10 В. Следовательно, напряжение «затвор–исток» будет равно

UЗИ = φЗ – φИ = 10 – 3 = 7 В.

Напряжение отсечки полевого транзистора КП103М значительно меньше 7 В (рисунок 6.6, б), поэтому он будет надежно закрыт. Сопротивление «исток–сток» ПТ будет близко к бесконечности, ток базы биполярного транзистора VT2 протекать не может, и он будет закрыт. Следовательно, светодиод VD гореть не будет.

Если пальцами одной руки замкнуть т. З и т. И, то по цепи +ЕК, R3, т. З, RР, т. И, R1, –ЕК потечет ток (RР — сопротивление руки ). При этом произойдет перераспределение потенциалов во входной цепи ПТ (рисунок 6.12, б), и потенциалы т. И и т. З будут равны:

100