Полупроводниковые приборы, работа которых основана на модуляции сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем, называют полевыми транзисторами. У них в создании электрического тока участвуют носители заряда только одного типа (электроны или дырки).

Полевые транзисторы бывают двух видов: с управляющим p-n - переходом и со структурой металл - диэлектрик - полупроводник (МДП-транзисторы).

Транзистор с управляющим p-n - переходом (рис. 1) представляет собой пластину (участок) из полупроводникового материала (канал), имеющего электропроводность определенного типа, от концов которой сделаны два вывода—электроды стока и истока. Вдоль пластины выполнен электрический переход (p-n - переход или барьер Шотки), от которого сделан третий вывод—затвор. Области истока, стока и канал имеют одинаковый тип проводимости. Внешние напряжения прикладывают так, что носители заряда движутся по каналу от истока к стоку, а напряжение, приложенное к затвору, смещает электрический переход в обратном направлении.

Сопротивление канала зависит от напряжения на затворе. Это обусловлено тем, что размеры переходной области, обедненной носителями заряда, увеличиваются с повышением приложенного к нему обратного напряжения, а это приводит к повышению электрического сопротивления канала.

а)	б)	в)
Рис. 1. Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим p-n - переходом; условные обозначения транзистора, имеющего канал n-типа б) и р-типа в)

Таким образом, работа полевого транзистора с управляющим p-n - переходом основана на изменении сопротивления канала за счет изменения размеров области, обедненной основными носителями заряда, которое происходит под действием приложенного к затвору обратного напряжения. Канал может быть почти полностью перекрыт и тогда сопротивление между истоком и стоком будет очень высоким (несколько десятков МОм). Напряжение между затвором и истоком, при котором ток стока достигает заданного низкого значения (I_С0), называют напряжением отсечки полевого транзистора U_зиотс.

Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим p-n - переходом приведена на рис. 1, а. Условные обозначения даны на рис. 1, б, в.

Ширина p-n - перехода зависит также от тока, протекающего через канал. Если U_СИ0, например U_СИ>0 (рис. 1, а), то ток I_с, протекающий через транзистор, создаст по длине последнего падение напряжения, которое оказывается запирающим для перехода затвор-канал. Это приводит к увеличению ширины переходной области и, соответственно, к уменьшению сечения и проводимости канала, причем ширина переходной области увеличивается по мере приближения к области стока, где будет иметь место наибольшее падение напряжения, вызванное током I_с на сопротивлении канала R_си. Так, если считать, что сопротивление транзистора определяется только сопротивлением канала, то у края p-n - перехода, обращенного к истоку, будет действовать напряжение U_зи, а у края, обращенного к стоку,— напряжение |U_ЗИ| + U_си.

При малых значениях напряжения U_си и малом I_с транзистор ведет себя как линейное сопротивление. Увеличение U_си приводит к почти линейному возрастанию I_с. По мере роста U_си характеристика I_с=f(U_си) все сильнее отклоняется от линейной, что связано с сужением канала у стокового конца. При определенном значении тока наступает так называемый режим насыщения (участок II на рис. 2, а), который характеризуется тем, что с увеличением U_си ток I_с меняется незначительно. Это происходит потому, что при большом напряжении U_си канал у стока стягивается в узкую горловину. Наступает своеобразное динамическое равновесие, при котором увеличение U_си и рост тока I_с вызывают дальнейшее сужение канала и соответственно уменьшение тока I_с. В итоге ток I_с остается почти постоянным. Напряжение, при котором наступает режим насыщения, называется напряжением насыщения. Оно, как видно из рис. 2, меняется при изменении напряжения U_зи. Так как влияние U_зи и U_си на ширину канала у стокового вывода практически одинаково, то

;

Рис. 2

Итак, напряжение отсечки, определенное при малом напряжении U_Cи<U_CИнас, численно равно напряжению насыщения при U_зи =0, а напряжение насыщения при определенном напряжении на затворе U_зи равно разности напряжения отсечки и напряжения затвор — исток.

При значительном увеличении напряжения U_си у стокового конца наблюдается пробой p-n - перехода

В выходных характеристиках полевого транзистора можно выделить две рабочие области ОА и АВ. Область ОА называют крутой областью характеристики: область АВ—пологой или областью насыщения. В крутой области транзистор может быть использован как омическое управляемое сопротивление. В усилительных каскадах транзистор работает на пологом участке характеристики. За точкой В возникает пробой электрическою перехода.

Входная характеристика полевого транзистора с управляющим p-n - переходом представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики p-n - перехода. Хотя ток затвора несколько меняется при изменении напряжения U_си, им в большинстве случаев можно пренебречь. Изменение напряжения U_зи не вызывает существенных изменений тока затвора, что характерно для обратного тока p-n - перехода.

При работе в пологой области вольт-амперной характеристики ток стока при заданном напряжении Uзи определяют из выражения

I_С= I_Снач(1-U_ЗИ/U_ЗИотс)² (1)

где I_Снач — начальный ток стока, под которым понимают ток при U_зи=0 и напряжении на стоке, превышающем напряжение насыщения: |U_cи|>|U_CИнас|.

Так как управление полевым транзистором осуществляется напряжением на затворе, то для количественной оценки управляющего действия затвора используют крутизну характеристики.

(2)

Крутизна характеристики достигает максимального значения S_НАЧ при U_зи=0. Для определения значения S при любом напряжении U_зи продифференцируем выражение (1)

(3)

При U_зи = 0 выражение (3) примет вид (4)

Второй важный параметр полевого транзистора - внутреннее сопротивление.

R_i= (5)

Усилительные свойства полевых транзисторов характеризуются статическим коэффициентом усиления , который связан с крутизной характеристики и внутренним сопротивлением соотношением =SR_i.

Типовые значения параметров для маломощных транзисторов: S=0.33 мА/В, R_i=0.11 МОм, R_Зи=10⁷10⁹ Ом, R_К=50800 Ом.

МДП-транзисторы могут быть двух типов: транзисторы с индуцированными каналами (канал возникает под действием напряжения, приложенного к управляющим электродам) и транзисторы с встроенными каналами (канал создается при изготовлении).

Транзисторы первого типа можно использовать только в режиме обогащения. Транзисторы второго типа могут работать как в режиме обеднения канала носителями заряда, так и в режиме обогащения. У МДП-транзисторов в отличие от транзисторов с управляющим p-n - переходом металлический затвор изолирован от полупроводника слоем диэлектрика и имеется дополнительный вывод от кристалла, на котором выполнен прибор (рис. 3), называемый подложкой.

Рис. 3. Структуры МДП-транзистора:

а) планарный транзистор с индуцированным каналом;

6— планарный транзистор со встроенным каналом;

(1 - диэлектрик; 2 - канал; 3- затвор)

Условные графические обозначения МДП-транзисторов
Тип канала	n - канал	p - канал
Встроенный канал
Индуцированный канал

Управляющее напряжение можно подавать как между затвором и подложкой, так и независимо на подложку и затвор; Под влиянием образующегося электрического поля у поверхности полупроводника появляется канал p-типа за счет отталкивания электронов от поверхности в глубь полупроводника в транзисторе с индуцированным каналом. В транзисторе с встроенным каналом происходит расширение или сужение имевшегося канала. Изменение управляющего напряжения меняет ширину канала и соответственно сопротивление и ток транзистора.

Существенным преимуществом МДП-транзисторов является высокое входное сопротивление, достигающее значений 10¹⁰10¹⁴ Ом.

Рассмотрим несколько подробнее работу МДП-транзистора с индуцированным p-каналом. Пусть в качестве исходного материала транзистора использован кремний, имеющий электропроводность n-типа. Роль диэлектрической пленки выполняет диоксид кремния SiO₂. При отсутствии смещения (U_зи = 0; Uси = 0; Uип = 0) приповерхностный слой полупроводника обычно обогащен электронами (рис. 4, а).

Рис. 4

При подаче на затвор отрицательного напряжения U_зи электроны приповерхностного слоя отталкиваются в глубь полупроводника, а дырки движутся к поверхности. Приповерхностный слой приобретает дырочную электропроводность (рис. 4, б). В нем появляется тонкий инверсный слой, соединяющий сток с истоком. Этот слой играет роль канала. Если между истоком и стоком приложено напряжение, то дырки, перемещаясь по каналу, создают ток стока. Путем изменения напряжения на затворе можно расширять или сужать канал и тем самым увеличивать или уменьшать ток стока.

Напряжение на затворе, при котором индуцируется канал, называют пороговым напряжением U_ЗИпop.

По мере удаления от поверхности полупроводника концентрация индуцированных дырок уменьшается. На расстоянии, приблизительно равном толщине канала, электропроводность становится собственной. Затем идет участок, обедненный основными носителями заряда (p-n - переход). Благодаря ему сток, исток и канал изолированы от подложки; p-n - переход смещен приложенным напряжением в обратном направлении. Очевидно, что его ширину и ширину канала можно изменять за счет подачи на подложку дополнительного напряжения относительно электродов стока и истока транзистора. Следовательно, током стока можно управлять не только путем изменения напряжения на затворе, но и за счет изменения напряжения на подложке. В этом случае управление МДП-транзистором аналогично управлению полевым транзистором с управляющим p-n - переходом. Для образования канала на затвор должно быть подано напряжение, большее U_ЗИпор.

Толщина инверсного слоя значительно меньше толщины обедненного слоя. Если последний составляет сотни—тысячи нм, то толщина индуцированного канала составляет всего 15 нм. Другими словами, дырки индуцированного канала «прижаты» к поверхности полупроводника, поэтому структура и свойства границы полупроводник - диэлектрик играют в МДП-транзисторах очень важную роль.

Дырки, образующие канал, поступают в него не только из подложки n-типа, где их мало и генерируются они сравнительно медленно, но также и из слоев р-типа истока и стока, где их концентрация практически неограниченна, а напряженность поля вблизи этих электродов достаточно велика.

В транзисторах с встроенным каналом ток в цепи стока будет протекать и при нулевом напряжении на затворе. Для прекращения его необходимо к затвору приложить положительное напряжение (при структуре с каналом p-типа), равное или большее напряжения отсечки U_ЗИотс. При этом дырки из инверсного слоя будут практически полностью вытеснены в глубь полупроводника и канал исчезнет. При приложении отрицательного напряжения канал расширяется и ток увеличивается. Таким образом, МДП-транзисторы с встроенными каналами работают как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения.

Выходные характеристики и параметры МДП-транзисторов аналогичны характеристикам полевых транзисторов с управляющим p-n - переходом.

МДП - структуры специального назначения. Кроме полевых транзисторов, которые выпускаются в виде самостоятельных компонентов, применяется ряд МДП структур со специфичными свойствами. Они являются составной частью отдельных микросхем.

В структурах типа металл—нитрид — оксид—полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором выполнен двухслойным. Он состоит из тонкого слоя оксида SiO₂ и толстого слоя нитрида Si₃N₄ (80100 нм) (рис. 5, а—в). На границе этих двух слоев, а также в слое нитрида имеются «ловушки» электронов. Поэтому при подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (2830 В) электроны из подложки туннелируют через тонкий слой SiO₂ и захватываются «ловушками». Появляются неподвижные отрицательно заряженные ионы. Созданный ими заряд повышает пороговое напряжение U_ЗИпор. Причем этот заряд может храниться в течение нескольких лет при отключении всех напряжений питания, так как слой SiO₂ предотвращает какой-либо перенос заряда в отсутствие электрического поля достаточно большой напряженности. Если на затвор подать большое отрицательное напряжение (2830 В), то накопленный заряд рассасывается (рис. 5, б).

На основе МНОП-структур выполняются запоминающие элементы, которые в зависимости от записанного в них «заряда» будут иметь малое или большое сопротивление при подаче одинакового напряжения U_ЗИ (порядка 35 В). Межпороговая зона несколько уменьшается при многократно повторяемых процессах перезаписи, но при этом остается достаточно широкой.

Рис. 5. МНОП-структура в режимах записи (а) и стирания информации (б);

1 - алюминий, 2-Si₃N₄, 3-SiO₂

МОП-структуры с плавающим затвором и лавинной инжекцией имеют затвор, который выполнен из кристаллического кремния и не имеет электрических связей с другими частями структуры (рис. 6). При подаче высокого напряжения на сток или исток транзистора возникает лавинный пробой p-n - перехода, образованного этой областью и подложкой. При этом электроны приобретают достаточно большие энергии, позволяющие им проникнуть в изолирующий слой и достигнуть затвора. На затворе появляется отрицательный заряд, который вследствие высоких изолирующих свойств диэлектрика сохраняется на протяжении многих лет (уменьшается приблизительно на 25% за 10 лет). Величину заряда выбирают такой, чтобы он обеспечил появление электропроводного канала, соединяющего сток и исток.

Рис. 6. МОП-структуры с плавающим затвором

в режиме записи (а), в режиме стирания (б):

1-плавающий затвор из поликристаллического кремния; 2—диэлектрик SiO₂

Для того чтобы транзистор стал неэлектропроводящим, необходимо убрать электрический заряд с «плавающего» затвора. Для этого область затвора подвергают воздействию ультрафиолетовым излучением (или ионизирующим излучением другого вида), в результате чего происходит ионизация диэлектрика, он становится проводящим, и заряд затвора исчезает. Облучение проводят через специальные окошки из кварцевого стекла, имеющиеся в микросхемах. Источниками излучения служат кварцевые лампы.

Данные МОП-транзисторы используются при создании микросхем памяти для цифровых устройств. В итоге записи информации, осуществляемой рассмотренным способом, одни транзисторы становятся электропроводными, а другие — нет. Записанная информация может быть стерта и вместо нее записана другая, хотя процессы стирания и перезаписи достаточно трудоемки.

Усилители

1. Основные определения

Усиление представляет собой процесс управления источником энергии (источником питания усилителя) в результате воздействия на него усиливаемых сигналов через усилительный элемент (транзистор, электронная лампа). При этом управляемая мощность Р_о (источника питания) заметно превышает управляющую Р₁ (источника усиливаемых сигналов), называемую входной мощностью (рис. 1). Часть мощности Р_о, отдаваемая во внешнюю цепь (в нагрузку), представляет собой выходную мощность Р₂.

Источник сигнала Р₁

Нагрузка

Р₂

Усилитель

Р_о

Источник питания

Рис. 1. Общая схема усилительного устройства.

Способность усилителя увеличивать мощность сигнала оценивается коэффициентом усиления мощности К_P= Р₂/Р₁, который, очевидно, должен быть больше единицы.

Простейший усилитель состоит из одного усилительного каскада, в который кроме транзистора входят резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы, которые обеспечивают режим работы транзистора по постоянному току и передачу сигнала в его входной и выходной цепях.

Более сложный усилитель образуется из нескольких усилительных каскадов, соединенных последовательно. При этом сигнал, усиленный одним каскадом, поступает на вход следующего.

Первые каскады работают при слабом сигнале, т. е. небольшом входном напряжении, и называются каскадами предварительного усиления; их назначение—повышение уровня напряжения сигнала, чтобы обеспечить достаточное возбуждение выходного каскада. Каскады предварительного усиления используют небольшие участки вольт-амперных характеристик электронных приборов, амплитуды переменных составляющих токов и напряжений оказываются значительно меньше постоянных составляющих.

Выходная мощность Р₂, отдаваемая нагрузке R₂, создается выходным каскадом, получившим название каскада усиления мощности. Выходные каскады работают при наиболее высоком уровне сигнала и используют всю вольт-амперную характеристику (ВАХ) электронного прибора, то есть ток через эти приборы и напряжение, приложенное к ним, изменяются в процессе работы от нуля до максимально допустимых для электронного прибора значений.

2. Основные технические показатели и характеристики усилителей:

• коэффициент усиления по мощности — К_P= Р₂/Р₁; по напряжению — К_U= U₂/U₁; по току — К_I= I₂/I₁; коэффициент усиления многокаскадного усилителя находится путем умножения коэффициентов усиления отдельных каскадов К=К₁К₂К₃...К_N;

• при измерении коэффициента усиления в дБ: N_P=10lgК_P; N_U=20lgК_U; N_I=20lgК_I; N=N₁+N₂+N₃+...+N_N;

• выходная мощность, отвечающая заданной норме нелинейных искажений, называется номинальной выходной мощностью; P₂=U₂²/R₂=R₂I₂²=U₂I₂, где U₂ - номинальное выходное напряжение, R₂ - сопротивление нагрузки, I₂ — номинальной выходной ток;

• номинальное входное напряжение U₁, при котором значение мощности (или напряжения) на выходе равно номинальному;

• входное сопротивление усилителя - R₁=U₁/I₁;

• амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — зависимость коэффициента усиления К или усиления N=20lgК от частоты; при изображении АЧХ усилителей частоту откладывают в логарифмическом масштабе, при котором абсцисса х точки, отвечающей частоте f, пропорциональна логарифму x=x₁₀lg(f/f_нач), где f_нач—частота в начале координат (х=0); x₁₀—длина одной декады, т. е. длина, соответствующая десятикратному изменению частоты (при логарифмическом масштабе длины всех декад, а также октав одинаковы); геометрической середине рабочего диапазона частот отвечает средняя частота f_о = f_нf_в, вблизи которой коэффициент усиления сохраняет постоянное значение N_o (К_о); левее расположена область нижних частот (0f₀), а правее - верхних частот (f₀);

• 

  Рис. 2.1. Нормированная амплитудно-частотная характеристика

  влияние реактивных параметров - емкостей и индуктивностей вызывает частотные искажения; то есть неравномерное усиление в рабочем диапазоне частот. В этом случае синусоидальный сигнал не изменяет своей формы, а сложный сигнал будет искажаться из-за различного усиления составляющих его спектра, а также из-за дополнительных фазовых сдвигов, возникающих между этими составляющими. Оценивают частотные искажения, сравнивая реальную АЧХ с идеальной зависимостью N=(f), за которую обычно принимают горизонтальную прямую N=N₀; отклонение Y=N—N₀ и является мерой частотных искажений;

• при заданной величине частотных искажений определяют рабочий диапазон частот усилителя (на рис. 2.1 при заданной неравномерности АЧХ Y=2 дБ рабочий диапазон частот усилителя 31,258000 Гц, f_н=31,25 Гц, f_в=8000 Гц);

• при большом сигнале коэффициент усиления будет зависеть от величины входного сигнала, в этом случае даже синусоидальный сигнал перестает быть синусоидальным (искажается). Эти искажения называют нелинейными, так как они обусловлены нелинейностью ВАХ электронного прибора. Нелинейные искажения оцениваются по коэффициенту гармоник, который находят как квадратичную сумму амплитуд (или действующих значений) высших гармоник выходного напряжения (тока), отнесенную к амплитуде (действующему значению) первой гармоники выходного напряжения (тока);

• отношение сигнал/шум, равный 20lg(U₂/U_2п), где U₂—выходное напряжение сигнала при номинальной выходной мощности, U_2п— напряжение интегральной помехи на выходе при отсутствии сигнала.