Вопросы для самопроверки:

1. Нарисуйте входные и выходные характеристики транзистора, включённого по схеме с общей базой.

2. Как практически произвести измерения входных и выходных характеристик транзистора, включённого по схеме с общей базой?

3. Что такое эффект модуляции ширины базы?

4. Почему в схеме с общей базой при значительном изменении напряжения на коллекторе коллекторный ток изменяется мало?

5. Нарисуйте входные и выходные характеристики транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером.

6. Как практически произвести измерения входных и выходных характеристик транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером?

7. В чём причина отличия характеристик транзистора, включённого по схемам с общей базой и общим эмиттером?

8. Как можно вычислить сопротивление r_э?

9. От каких причин зависит сопротивление r_б?

10. Назовите порядок величин r_э, r_б и r_к.

11. Какие причины приводят к ухудшению усилительных свойств транзистора на высоких частотах?

12. При каких условиях транзистор - нелинейный элемент можно заменить при расчётах линейной эквивалентной схемой?

13. Нарисуйте эквивалентную схему транзистора с общей базой для малых сигналов.

14. Нарисуйте эквивалентную схему транзистора с общим эмиттером для малых сигналов.

15. В какой схеме включения транзистор имеет лучшие частотные свойства и почему?

2.7. Полевые транзисторы.

История создания полевых транзисторов связана с изобретением в 1948 году Шокли и его учениками биполярного транзистора. В тех знаменитых экспериментах учёными было задумано создать именно полевой транзистор – аналог электронной лампы (триода). Но волею судеб из-за несовершенства технологии получился биполярный транзистор. Лишь позже Шокли и его сотрудники сумели изготовить полевой транзистор.

Полевой транзистор называется так потому, что в нём с помощью электрического поля меняется ширина токопроводящего слоя полупроводника, т.е. изменяется его сопротивление, а, тем самым, при приложенном напряжении ток через полупроводник. Токопроводящий слой полупроводника называется каналом. Отсюда и другое название полевых транзисторов – канальные транзисторы.

К аналы транзисторов могут создаваться либо в объёме полупроводника, либо в его приповерхностном слое. На рисунке 2.34 приведена внутренняя структура полевого транзистора с p-n переходом и объёмным каналом. Средний проводящий слой полупроводника имеет электронную проводимость, а ограничивающий его с двух сторон полупроводниковый материал имеет дырочную проводимость. Между полупроводниками n и p типа образуется p-n переходы. Выводы из среднего слоя полупроводника называются истоком и стоком. Выводы из соединённых между собой слоёв p называется затвором. Ширина канала определяется конструкцией полевого транзистора и будет зависеть от ширины p-n перехода. В свою очередь ширина p-n перехода будет зависеть от приложенного к нему напряжения. Если между каналом – слоем n и затвором – слоем p ввести источник напряжения, то можно управлять шириной канала или его сопротивлением. При соединении стока и истока между собой и введении источника управляющего напряжения Е_З, как показано на рис. 2.34, p-n переход будет закрыт. При увеличении управляющего напряжения p-n переход расширяется и при некотором значении Е_З оба p-n перехода сомкнуться. Очевидно, что, включив дополнительный источник напряжения между истоком и стоком, можно с помощью Е_З управлять током в канале.

Рис.2.34.Внутренняя структура полевого транзистора с p-n переходом

На приведённом рисунке 2.34 выводы полевого транзистора исток и сток полностью эквивалентны. Однако при практической реализации в конструкции полевого транзистора имеется несимметрия, позволяющая улучшить его характеристики и параметры.

В рассмотренном варианте полевого транзистора с p-n переходом канал выполнен из полупроводника n-типа. но на практике используются и полевые транзисторы с p-каналом. На рис.2.35 приведено изображение на схемах полевых транзисторов с n- и p-каналами.

Рис.2.35. Изображение на схемах полевых транзисторов с p-n переходом и каналами n- типа а) и p-типа б).

Канал в приповерхностном слое полупроводника можно выполнить, используя структуру металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзистор) (см. рис.2.36).

Р ис.2.36. Внутренняя структура МДП-транзистора с индуцируемым

n- каналом.

В кремниевых МДП-транзисторах в качестве диэлектрика часто используют окисел кремния SiO₂, поэтому МДП-транзисторы иногда называют МОП-транзисторами (металл-окисел-полупроводник). Управление шириной канала в МДП-транзисторах также производится с помощью электрического поля.

Как и в полевых транзисторах с p-n переходом, выводы МДП-транзистора называют: исток, затвор, сток.

Затвором в МДП-транзисторах является слой металла, нанесённый на тонкую диэлектрическую плёнку, которая в свою очередь находится на поверхности полупроводника. Выводы из полупроводника n-типа располагаются на поверхности по обе стороны слоёв металла и диэлектрика и называются истоком и стоком. Между слоями полупроводника n-типа располагается зона полупроводника p-типа. Это приводит к тому, что при отсутствии напряжения на затворе тока между истоком и стоком практически не будут, т.к. между истоком и стоком оказываются два встречно-включённых p-n перехода. При этом какой бы полярности не прикладывалось напряжение между истоком и стоком, один из p-n переходов будет всегда включён в обратном направлении.

Ситуация не изменяется, если на затвор прикладывается отрицательное напряжение. Однако если изменить полярность напряжения, приложенного к затвору, то между истоком и стоком может образоваться токопроводящий канал n-типа. Это связано с тем, что положительное напряжение, приложенное к затвору, создаёт электрическое поле, проникающее через тонкую диэлектрическую плёнку вглубь полупроводника. Это электрическое поле будет отталкивать дырки и притягивать электроны. При достаточно большом положительном напряжении на затворе в приповерхностном слое полупроводника p-типа образуется тонкий слой полупроводника n-типа, т.е. зона истока (слой полупроводника n-типа) будет соединена с зоной стока (также полупроводником n-типа) n-каналом. Очевидно, что чем больше приложенное положительное напряжение к затвору, тем шире канал, тем больше ток между истоком и стоком.

Структура, приведённая на рис.2.36, называется МДП-транзистором с индуцируемым n-каналом, поскольку канал образуется только при положительном приложенном напряжении. Если подложку выполнить из полупроводника n- типа, а зоны истока и стока сделать полупроводником типа р, то получится МДП-транзистор с индуцируемым р-каналом. МДП-транзисторы с n- и р- каналами называются комплиментарными, т.е. взаимно дополняющими друг друга. На их основе в настоящее время выполняются так называемые КМОП-структуры, находящие широкое применение в самых разнообразных цифровых микроэлектронных устройствах.

Кроме МДП-транзисторов с индуцированным каналом находят применение и МДП-транзисторы с встроенным каналом. Встроенный n-канал образуется, если в слое окисла оказывается достаточно много примесей. Эти примеси, как правило, являются донорными примесями. Диффузия донорных примесей из слоя окисла вглубь полупроводника р-типа создаёт в приповерхностном слое проводящий канал n-типа. При этом, если на затвор не подавать никакого напряжения, ток от истока к стоку при приложении к ним напряжения будет протекать за счёт существования канала n-типа. Именно поэтому такой канал называется встроенным. При приложении к затвору отрицательного напряжения ширина встроенного канала будет сужаться, а при положительном – расширяться. Следовательно, и ток между истоком и стоком будет либо уменьшаться (при отрицательном напряжении на затворе), либо увеличиваться (при положительном напряжении на затворе).

Н а рис.2.37 приведено изображение на схемах МДП-транзисторов с индуцируемыми и встроенными каналами n- и p-типов.

Рис.2.37. Изображение на схемах МДП-транзисторов с индуцируемым каналом n-типа а), p-типа б), с встроенным каналом n-типа в), p-типа г).

Ток между истоком и стоком будет изменяться, если напряжение прикладывать не к затвору, а к подложке. Однако управление током по подложке менее эффективно, чем по затвору. Поэтому подложку обычно соединяют либо с истоком (достаточно часто), либо со стоком (реже).

В приведённых примерах полевого транзистора с p-n переходом и МДП-транзисторах в создании тока между истоком и стоком участвуют заряды одного типа: либо электроны, либо дырки. Указанное свойство транзисторов – создавать ток за счёт носителей зарядов одного типа, дало им ещё одно название – униполярные транзисторы, в отличие от биполярных, в которых ток создается носителями обеих знаков.