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

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

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

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

7. Дайте определение дифференциальным параметрам биполярного транзистора.

8. Назовите порядок величин  r_э, r_б и r_к.

9. Как связаны между собой параметры r_к и r_к*

10. Почему частотные свойства транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером значительно хуже, чем при включении его по схеме с общей базой?

11. Как можно определить сопротивление эмиттерного перехода r_э?

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

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

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

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

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, и, тем самым, при приложенном напряжении изменяется ток через токопроводящий слой полупроводника, называемый каналом. Отсюда и другое название полевых транзисторов – канальные транзисторы. Напомним, что в биполярном транзисторе ток в выходной коллекторной цепи возникает либо за счёт появления обусловленного входным сигналом тока в эмиттерной цепи (в схеме с общей базой), либо за счёт базового тока (в схеме с общим эмиттером). Именно поэтому считается, что полевые транзисторы управляются напряжением, а биполярные - током.

Каналы полевых транзисторов могут создаваться либо в объёме полупроводника, либо в его приповерхностном слое. На рисунке 2.36 приведена упрощенная внутренняя структура полевого транзистора с p-n переходом и объёмным n-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 называются затвором. Ширина канала определяется конструкцией полевого транзистора и будет также зависеть от ширины p-n переходов. В свою очередь ширина p-n переходов 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. 2.36, p-n переход будет закрыт. При увеличении управляющего напряжения p-n переходы расширяются и при некотором значении Е_З оба p-n перехода могут сомкнуться. Очевидно, что, включив дополнительный источник напряжения между истоком и стоком, можно с помощью Е_З управлять током в канале.

Рис.2.36. Внутренняя структура полевого транзистора с p-n переходом и n-каналом

Н а приведённом рисунке 2.36 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.2.37 приведено изображение на схемах полевых транзисторов с n- и p-каналами.

а) б)

Рис.2.37. Изображение на схемах полевых транзисторов с p-n переходом и каналами n-типа а) и p-типа б).

Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом могут быть выполнены по той же технологии, как и биполярные транзисторы. Например, структура n-p-n транзистора может быть использована для создания полевого транзистора с управляющим p-n переходом и p-каналом. На рис. 2.38 приведена внутренняя структура такого транзистора.

Рис.2.38. Внутренняя структура полевого транзистора с управляющим p-n переходом и p-каналом.

Базовая область биполярного n-p-n транзистора с двумя выводами: истоком и стоком может служить p-каналом (в этом случае нет необходимости делать базу очень тонкой, но обычно требуется увеличить ее длину). Выводы из эмиттерных и коллекторных областей, соединенных вместе, используются как затвор полевого транзистора с p-каналом. Заметим, что канал приведенной структуры полевого транзистора находиться в объеме полупроводника.

Приведенная на рис.2.38 структура может использоваться и как резистор. При этом на затвор прикладывается постоянное по величине положительное напряжение, запирающее оба перехода. Выводы исток и сток будут являться выводами резистора.

Канал в приповерхностном слое полупроводника можно выполнить, используя структуру металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзистор). На рис.2.39 приведена внутренняя структура МДП-транзистора с индуцируемым n-каналом.

Рис.2.39. 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 будет, 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 больший ток между истоком и стоком, возникнет, если между этими выводами транзистора включить источник напряжения.

Структура, приведённая на рис.2.39, называется МДП-транзистором с индуцируемым n-каналом, поскольку канал образуется (индуцируется – наводится) 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 этим выводам 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).

На рис.2.40 приведено изображение на схемах МДП-транзисторов с индуцируемыми и встроенными каналами n- и p-типов.

Рис.2.40. Изображение на схемах МДП-транзисторов с индуцируемыми каналами n-типа а) и p-типа б) и с встроенными каналами

n-типа в) и p-типа г).

Ток между истоком и стоком будет также 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 полевых транзисторов с p-n переходом и МДП-транзисторах в создании тока между истоком и стоком в зависимости от проводимости канала 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.