лекции / shemotech / 4. Полевые транзисторы

4. Полевые транзисторы

4.1. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом. Полевым транзистором называют трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором электрический ток создается основными носителями заряда под действием продольного электрического поля, а модуляция тока осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемым напряжением на управляющем электроде. Полевые транзисторы бывают двух разновидностей: с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором (МДП- или МОП-транзисторы).

Область полупроводника, по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, от которого начинают движение основные носители заряда в канале, называют истоком. Электрод, являющийся приемником движущихся основных носителей, называют стоком. Электрод, используемый для управления величиной поперечного сечения канала, называется затвором.

Структура полевого транзистора с управляющим p-n переходом и с каналом n-типа представлена на рис. 4.1.

Рис.4.1. Упрощенная структурная схема полевого транзистора с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом представляет собой транзистор, затвор которого отделен от канала p-n переходом. Канал может иметь электропроводность как n-типа, так и p-типа. Напряжение источника питания U_си прикладывается к промежутку сток — исток таким образом, чтобы поток основных носителей (в канале n-типа — электроны) двигался от истока к стоку. К промежутку затвор — исток прикладывается напряжение U_зи, запирающее управляющий p-n-переход транзистора. При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется площадь поперечного сечения канала и его сопротивление, а значит, и величина тока, протекающего через канал. В цепи затвора протекает малый обратный ток, в связи с этим необходима малая мощность от источника сигнала в цепи затвора для управления током стока.

Управление толщиной канала осуществляется напряжением U_зи, т.е. электрическим полем, возникающем в запирающем слое, без осуществления инжекции носителей. Поэтому такие транзисторы называются полевыми.

При прямом включении управляющего p-n перехода возникает относительно большой прямой ток затвора и сопротивление участка затвор — исток резко уменьшается, поэтому нецелесообразно применять на практике такое включение.

При увеличении обратного напряжения на затворе запирающий слой p-n перехода расширяется, уменьшая сечение канала. При некотором напряжении на затворе может произойти перекрытие.

Напряжение между затвором и истоком, при котором канал перекрывается, а его сопротивление стремится к бесконечности и ток стока достигает заданного низкого значения, называют напряжением отсечки U_{зи отс}. При приложении U_{зи отс} транзистор должен закрываться полностью, но из-за наличия малых токов утечки U_{зи отс} определяется при заданном малом значении I_с. В справочнике на каждый транзистор указывается ток стока, при котором измерено U_{зи отс}.

Статические характеристики. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом описывается тремя статическими характеристиками:

выходными (стоковые) характеристиками I_с=f(U_си) при U_зи=const;

сток-затворными характеристиками (характеристики передачи) I_с=f(U_зи) при U_си=const;

входными (затворные) характеристиками I_з=f(U_зи) при U_си=const;

Вид статических стоковых характеристик представлен на рис.4.2.

Рис. 4.2. Выходные (стоковые) статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом

Рассмотрим стоковую характеристику транзистора с каналом n-типа.

На стоковых характеристиках можно выделить две рабочие области: АВ и ВD (рис.4.2). Область АВ называют крутой областью характеристики, область ВD — пологой или областью насыщения. При малых значениях U_си ток стока изменяется прямо пропорционально изменениям напряжения (участок АВ). Наклон этого участка соответствует полностью открытому каналу и прямо пропорционален его проводимости. С увеличением U_си (точка В) на росте I_с начинает сказываться сужение канала, которое приводит к уменьшению его проводимости, и характеристика отклоняется от прямой линии.

При подаче на затвор обратного напряжения и при увеличении этого напряжения по абсолютному значению уменьшается начальное поперечное сечение канала. Это приводит к изменению наклона начальных участков стоковых характеристик, что соответствует большим начальным статическим сопротивлениям канала.

Геометрическое место точек, соответствующих условному перекрытию канала и наступлению режима насыщения, показано штрихпунктирной линией (рис.4.2).

В крутой области стоковых характеристик транзистор можно использовать как электрически управляемое сопротивление. Пологий участок характеристик является рабочим при применении транзистора в усилительных устройствах.

Рис. 4.3. Характеристика передачи Рис. 4.4. Входная (затворная)

(сток-затворная) полевого транзистора характеристика)

с управляющим p-n переходом

При увеличении обратного напряжения на p-n переходе уменьшается сечение канала, что приводит к уменьшению тока стока. При = через канал протекает обратный ток стока малой величины, и это может быть использовано для ориентировочного определения напряжения отсечки.

Характеристика передачи может быть получена экспериментально или с помощью перестройки стоковых характеристик.

Входная (затворная) характеристика полевого транзистора с управляющим p-n переходом (рис.4.4) представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики p-n перехода. Изменение напряжения влияет на распределение поля в канале, что вызывает изменения тока затвора. Наибольшего своего значения, которое называется током утечки, ток затвора достигает при условии короткого замыкания выводов истока и стока, однако оно очень мало и им часто пренебрегают.

4.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором. У транзисторов с изолированным затвором между металлическим затвором и областью полупроводника находится слой диэлектрика.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом. Упрощенная структура МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис.4.5.

Основой транзистора является подложка, в качестве которой используется кремниевая пластинка с проводимостью n- или p-типа с относительно высоким удельным сопротивлением. На поверхности подложки методом диффузии создаются две сильнолегированные области, не имеющие между собой электрического соединения, с противоположным относительно подложки типом электропроводности. На этих областях осаждают внешние омические контакты, которые служат истоком и стоком. Структура транзистора обратима — сток и исток можно менять местами. Оставшаяся поверхность пластинки покрывается слоем. На слой диэлектрика между истоком и стоком наносится металлический электрод, выполняющий роль затвора. Если между стоком и истоком прикладывается внешнее напряжение U_си, то в цепи стока протекает малый обратный ток p-n перехода между подложкой и областью стока.

Рис. 4.5. Упрощенная структурная схема и Рис. 4.6. Структурная схема

словное обозначение МДП-транзистора МДП-транзистора при U_зи, превышающем

с индуцированным каналом пороговое напряжение

При подаче на затвор положительного относительно истока напряжения электрическое поле затвора через диэлектрик проникает на некоторую глубину в приконтактный слой полупроводника, выталкивая из него в глубь полупроводника основные носители заряда (дырки) и притягивая электроны к поверхности. При увеличении положительного напряжения на затворе в приконтактном поверхностном слое полупроводника происходит смена (инверсия) электропроводности (рис.4.6).

Образуется тонкий инверсный слой (канал), соединяющий сток с истоком. Напряжение на затворе, при котором индуцируется канал, называется пороговым напряжением. При его изменении изменяются толщина и электропроводность канала, а соответственно изменяется и ток стока. С удалением от поверхности полупроводника концентрация электронов уменьшается, а на глубине, равной толщине канала, электропроводность становится собственной. Затем идет участок, обедненный основными носителями заряда (p-n переход). Он изолирует сток, исток и канал от подложки.

На вывод подложки относительно истока можно подавать напряжение U_пи, полярность которого противоположна проводимости подложки, что приводит к изменению числа носителей в канале.

Прямое включение перехода исток — подложка недопустимо, ибо в цепи дополнительного управляющего электрода появляется большой ток. В транзисторах, не имеющих вывода подложки, последняя электрически соединена с истоком.

Режим работы полевого транзистора, при котором канал обогащается носителями при увеличении абсолютного значения напряжения на затворе, называется режимом обогащения, а транзисторы с индуцированным каналом называются транзисторами обогащенного типа.

Транзисторы с p-каналом имеют противоположную полярность внешних напряжений U_зи, U_си по сравнению с транзисторами с n-каналом.

Статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом. На рис.4.7 представлено семейство статических выходных (стоковых) характеристик I_с=f(U_си) при U_зи=const:

|U_зи|≥|U_{зи пор}|

При увеличении внешнего напряжения U_си и U_зи до значений больше порогового, в цепи сток — исток протекает электрический ток. От истока через канал к стоку должны двигаться электроны, поэтому плюс внешнего источника подключается к стоку.

При малых напряжениях U_си и U_зи ток стока изменяется прямо пропорционально напряжению (участок АБ). С увеличением напряжения U_си ширина канала уменьшается вследствие падения на нем напряжения. Уменьшение поперечного сечения канала при увеличении тока стока происходит около стока.

Из-за заметного сужения стокового участка канала характеристика отклоняется от прямой на участке БВ. При напряжении U_{си нас}=U_зи-U_{зи пор} напряжение на затворе относительно стокового участка канала становится равным пороговому значению, что приводит к уменьшению ширины канала возле стока, повышению его сопротивления и ограничению тока стока I_с=I_{с нас}. В транзисторе наступает режим насыщения и при дальнейшем увеличении напряжения U_си ток стока меняется незначительно.

Рис. 4.7. Семейство статических выходных (стоковых) характеристик МДП-транзистора с индуцированным каналом

При увеличении напряжения на затворе (по абсолютному значению) выходные статические характеристики смещаются в область больших токов стока.

Выходные характеристики МДП-транзистора аналогичны характеристикам полевых транзисторов с управляющим p-n переходом. В крутой области характеристики (участок АБ на рис.4.7) транзистор работает как электрически управляемое сопротивление, а пологая часть используется при построении усилительных каскадов.

На рис.4.8 представлена статическая характеристика передачи: I_с=f(U_зи) при U_си=const. Эта характеристика определяется для режима насыщения и описывается зависимостью (4.4).

Рис. 4.8. Статическая Рис. 4.9. Выходные Рис. 4.10. Сток-затворные

характеристика передачи характеристики характеристики МДП-

(сток-затворная) МДП- МДП-транзистора при транзистора с

транзистора с различных напряжениях индуцированным

индуцированным на подложке каналом при различных

каналом n-типа напряжениях на подложке

Отсутствие тока стока при нулевом напряжении на затворе, а также одинаковая полярность напряжения на затворе и стоке у МДП-транзисторов с индуцированным каналом служат основой для построения высокоэкономичных импульсных схем.

При использовании подложки в качестве управляющего электрода целесообразно рассматривать выходные характеристики I_с=f(U_си) при различных напряжениях подложка – исток при при U_пи=const (рис.4.9).

Семейство сток-затворных характеристик при разных напряжениях U_пи на подложке относительно истока показано на рис.4.10. Видно, что при изменении напряжения на подложке все точки характеристики смещаются параллельно оси абсцисс на ΔU_пор. Пороговое напряжение U_{зи пор} существенно зависит от напряжения на подложке.

4.3. Полевые транзисторы со встроенным каналом. На стадии изготовления транзисторов между областями стока и истока создается тонкий слаболегированный слой (канал) с таким же типом электропроводности, что и указанные области (рис.4.11 а), их условное обозначение на рис. 4.11 б, в.

Рис. 4.11. Упрощенная структурная схема и условные обозначения МДП-транзистора со встроенным каналом

При нулевом напряжении на затворе и наличии внешнего напряжения между стоком и истоком протекает ток стока. Отрицательное напряжение, приложенное к затвору относительно истока и подложки, будет выталкивать электроны из канала, а в канал втягивать дырки из подложки; канал обедняется носителями. Толщина канала и его электропроводность уменьшается, что приводит к уменьшению тока стока. При некотором отрицательном напряжении на затворе, называемом напряжением отсечки

U_{зи отс} происходит инверсия типа электропроводности канала. Области истока и стока оказываются разделенными областью p-полупроводника.

Увеличение положительного напряжения на затворе МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа (рис.4.11 б) вызывает приток электронов в канал из подложки. Канал расширяется, обогащаясь носителями, сопротивление его уменьшается, а ток стока возрастает.

Режим работы полевого транзистора, при котором увеличение по абсолютной величине напряжения на затворе вызывает уменьшение тока стока, называется режимом обеднения.

Транзисторы со встроенным каналом работают как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения. Часто их называют транзисторами обедненного типа.

Статические характеристики транзистора со встроенным каналом. Отличие стоковых (выходных) характеристик МДП-транзистора со встроенным каналом от аналогичных характеристик транзисторов обогащенного типа заключается в том, что ток стока I_с существует как при положительном, так и при отрицательном напряжении на затворе (рис.4.12) и описывается аналитическими зависимостями (4.2), (4.3), как и транзисторы с управляющим p-n переходом.

Рис. 4.12. Семейство статических Рис. 4.13. Статическая характеристика

выходных (стоковых) характеристик передачи (сток-затворная) МДП-

МДП-транзистора со встроенным транзистора со встроенным

каналом каналом n- типа

Сток-затворная характеристика МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа показана на рис.4.13. При напряжении U_зи=0 в цепи стока протекает ток I_{с нас}. При подаче отрицательного напряжения на затвор канал сужается, обедняясь носителями, и уменьшается ток стока. При U_{зи отс} канал исчезает, происходит инверсия его электропроводности. С увеличением положительного напряжения на затворе канал расширяется, обогащается носителями, сопротивление его уменьшается, а ток стока увеличивается.

4.4. Схемы включения и параметры полевых транзисторов. В зависимости от того, какой из электродов полевого транзистора в усилительной схеме является общим для входной и выходной цепей, используются схемы с общим затвором (ОЗ), с общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее распространенной является схема с ОИ, аналогичная схеме включения биполярного транзистора с ОЭ. Схема с общим стоком (истоковый повторитель) аналогична эмиттерному повторителю.

На практике питание схем осуществляется от одного общего источника напряжения. При подаче питания на полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, для которых стоковое напряжение и напряжение на затворе должны быть разного знака, необходимое напряжение на затворе может быть создано с помощью цепочки автоматического смещения R_иС_и, включенной в цепь истока (рис.4.14).

У полевых транзисторов с индуцированным каналом, у которых стоковое напряжение и напряжение на затворе имеют одинаковую полярность, смещение на затвор подается обычно с помощью делителя напряжений R₁ и R₃ (рис.4.15).

Рис. 4.14. Схема включения Рис.4.15. Схема включения

с ОИ транзистора с управляющим с ОИ МДП-транзистора

p-n переходом и каналом n-типа с индуцированным каналом n-типа

Полевые транзисторы со встроенным каналом, так как они не нуждаются в дополнительном питании цепи затвора по постоянному току, могут работать при смещении U_зи=0, что выгодно отличает их от других усилительных приборов.

При изменении температуры происходит изменение параметров и статических характеристик транзисторов. У полевых транзисторов с управляющим p-n переходом изменение температуры приводит к изменению контактной разности потенциалов, обратного тока через переход и подвижности носителей.

Все это приводит к увеличению эффективного сечения канала и увеличению тока стока.

Рис. 4.16. Сток-затворные характеристики Рис. 4.17. Сток-затворные

транзистора с управляющим характеристики МДП-транзистора

p-n переходом при различной температуре с индуцированным каналом

при различной температуре

С ростом температуры подвижность носителей и удельная проводимость канала уменьшаются, что способствует уменьшению тока стока. При достижении определенного значения U_зи происходит полная взаимная компенсация противоположно действующих факторов и ток стока в этом режиме оказывается практически не зависящим от температуры. Точка на сток-затворных характеристиках, в которой ток стока не зависит от температуры, называется термостабильной (см. рис.4.16).

У полевого транзистора с управляющим p-n переходом точка температурной компенсации тока стока отстоит от напряжения отсечки приблизительно на 0,6 В для p-канала и ≈ 0,8 В для n-канала. Значение максимального тока стока у таких транзисторов в термостабильной точке лежит в пределах 0,1...1 мА.

При изменении температуры у полевых транзисторов с управляющим p-n переходом резко возрастает ток затвора, что приводит к изменению входного сопротивления, которое необходимо учитывать при больших сопротивлениях в цепи затвора.

У МДП-транзисторов также имеется термостабильная рабочая точка (рис.4.17), в которой ток стока мало зависит от температуры. С ростом температуры уменьшается подвижность носителей заряда, что приводит к увеличению сопротивления канала и уменьшению тока стока. Кроме того, с ростом температуры возрастает ионизация поверхностных состояний подзатворного полупроводника, что приводит к увеличению тока стока и уменьшению напряжения отсечки. При определенном значении тока стока оба эти фактора уравновешивают друг друга и ток стока практически не зависит от изменения температуры. Для разных МДП-транзисторов значение тока стока в термостабильной точке находится в пределах 0,05...0,5 мА.

Y-параметры. Полевой транзистор, работающий в режиме малого сигнала, так же как и биполярный транзистор, можно представить в виде линейного четырехполюсника (рис.4.18).

Рис. 4.18. Схема полевого транзистора Рис. 4.19. Определение статических

как линейного четырехполюсника параметров по выходным характеристикам

Наличие большого входного сопротивления у полевых транзисторов позволяет удобно их описывать с помощью y-параметров. Для схемы с ОИ в качестве независимых переменных принимают и , а зависимые величины — , ; тогда транзистор описывается следующей системой уравнений:

; (4.1)

А в системе y-параметров

; (4.2)

Отсюда y-параметры в режиме КЗ по переменному току на входе и выходе определяются выражениями

— входная проводимость; (4.3)

— проводимость обратной передачи, при (4.4)

стремится к нулю;

— проводимость прямой передачи (крутизна (4.5)

характеристики прямой передачи), определяет

наклон данной характеристики в любой точке.

— выходная проводимость, вместо которой на (4.6)

практике часто используется обратная величина

, называемая внутренним (дифференциальным) сопротивлением транзистора.

Параметры , , можно определить по статическим характеристикам.

На выходных (стоковых) характеристиках (рис.4.19) через выбранную рабочую точку О, которой соответствуют значения , , , проводят прямую, параллельную оси токов, до пересечения со следующей характеристикой в точке В, имеющей координаты , , . Значение крутизны рассчитывается по формуле

(4.7)

Дифференциальное сопротивление более полно отражает зависимость тока стока от напряжения на пологом участке стоковой характеристики. Оно определяется в рабочей точке О по приращению тока стока, соответствующему приращению напряжения :

(4.8)

Возрастание тока стока при увеличении в пологой части характеристики обусловлено эффектом модуляции длины канала. С увеличением стоковый p-n переход смещается в обратном направлении, что приводит к расширению перехода и уменьшению длины канала. Уменьшение длины канала приводит к уменьшению его сопротивления и возрастанию тока стока.