Тема 1.6 Полевые транзисторы
1.6.1 Полевые транзисторы с р-n переходом.
1.6.2 Полевые транзисторы с изолированным затвором.
1.6.1 Полевые транзисторы с р-n переходом.
Полевым транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый прибор в котором ток создают основные носители заряда под действием продольного электрического поля, а управление величиной тока осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемым напряжением, приложенным к управляющему электроду. По конструктивным особенностям полевые транзисторы делятся на две группы:
1) Полевые транзисторы с р-n переходами (канальные или униполярные).
2) Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП или МОП транзисторы).
На рис. 71 схематическое изображение конструкции полевого транзистора с р-n переходами и схема его включения.
Т
онкий
слой полупроводника n или
р-типа, ограниченный с двух сторон
электронно-дырочными переходами
называется каналом. Канал включается
в электрическую цепь с помощью двух
омических электродов, один из которых
(И) называется истоком, а
второй (С) – стоком. Выход подсоединенный
к р области является управляющим
электродом и называется затвором. Выводы
И; С; З соответствуют эмиттеру, коллектору,
базе биполярного транзистора. Величина
тока в канале зависит от напряжения
между стоком и истоком UС,
нагрузочного сопротивления и сопротивления
полупроводника между стоком и истоком.
При UC
и RH=const
ток в канале IС (ток
стока) зависит только от эффективной
площади поперечного сечения канала.
При отрицательном напряжении на затворе
увеличивается толщина р-n
перехода и уменьшается токопроводящее
сечение канала, а следовательно
увеличивается сопротивление между
истоком и стоком и снижается величина
тока IС. Уменьшение
напряжения на затворе вызывает уменьшение
сопротивления канала и возрастание IС.
При последовательном подключении с ЕЗИ
источника усиливаемого переменного
напряжения UВХ,
можно изменять ток через канал по закону
изменения входного напряжения. Ток
стока, проходя через сопротивление
нагрузки RH,
создает на нем падение напряжения,
изменяющееся по закону UВХ,
и при соответствующем подборе RH
можно добиться повышения уровня выходного
напряжения по сравнению с входным, т.е.
усилить сигнал. Условное графическое
изображение канальных
полевых транзисторов с каналами n
и р типов показано на рисунке 72а и 72б.
а) б)
На рис. 73 семейство выходных (стоковых) и стоко-затворных (передаточных) характеристик полевого транзистора с р-n переходом. IC=f(UC) UЗИ=const.
Рис.73
Выходные (стоковые) характеристики полевого транзистора с p-nереходом Ic=f(Uc) при Uзи=const. При UЗИ=0 увеличение положительного напряжения на стоке ведет к увеличению стокового тока IС. Вначале это увеличение происходит почти линейно, но с возрастанием IС увеличивается падение напряжения на канале, повышается обратное смещение для р-n переходов, что ведет к сужению сечения токопроводящего канала и замедлению роста IС. В конечном итоге наступает момент, когда увеличение UC не приводит к увеличению IС (участок АВ на рис. 73). Этот режим называется режимом насыщения. Зависимость IС =f( UC) при Uзи=const для ряда напряжений на затворе образует семейство выходных характеристик полевого транзистора (рис.73, слева). Зависимость IC=f(UЗИ) при UС=const называется стокозатворной характеристикой (рис. 73 ,слева).
1.6.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором.
Полевые транзисторы с изолированным затвором имеют структуру металл-диэлектрик (окисел)-полупроводник (рис. 1). Поэтому их часто называют МДП или МОП транзисторами. Разрез структуры полевого транзистора с изолированным затвором показан на рисунке 74. Принцип их работы основан на эффекте поля в поверхностном слое полупроводника. Основой такого транзистора служит пластинка монокристаллического кремния 1. В разрезе структуры показанном на рис. 1 эта пластинка имеет проводимость р-типа и называется подложкой.
Области стока и истока, это участки кремния, сильно легированные примесью n-типа (2), расстояние между которыми 1 мкм. На этом участке расположена узкая слабо легированная полоска кремния n-типа (3), называемая каналом. Затвором служит металлическая пластинка (4), изолированная от канала слоем диэлектрика толщиной примерно 0,1 мкм (5). Данные транзисторы могут быть выполнены как с каналом Р так и N типов. Канал может быть встроенным (т.е. созданным при изготовлении) как показано на рис. 74 и индуцированным (т.е. наводящимся под влиянием напряжения приложенного к затвору), как показано на рис. 75.
В транзисторе со встроенным каналом при отрицательном напряжении на затворе UЗИ, электроны выталкиваются из области канала в подложку, канал обедняется носителями и ток IС снижается. Положительное напряжение на затворе втягивает электроны из подложки в канал и ток IС через канал возрастает. МДП транзистор со встроенным каналом может управляться как отрицательным, так и положительным напряжением, что отражено в его передаточных (рис. 76а) и выходных (рис. 76б) характеристиках.
На рис. 77а условное графическое обозначение полевого транзистора со встроенным N-каналом, а на рис. 77б – со встроенным Р каналом.
В полевом транзисторе с индуцированным каналом, разрез структуры которого показан на рис. 75, при отсутствии напряжения на затворе канал отсутствует, т.к. N области истока и стока образуют с Р-подложкой два р-n перехода включенных навстречу друг другу, и значит при любой полярности напряжения UСИ, один из переходов будет заперт. Подача на затвор отрицательного (для рассматриваемого на рис. 4 типа транзистора) напряжения не изменяет картины. Если подать на затвор положительное напряжение больше порогового UЗИ<UЗИ пор, то созданное им электрическое поле вытягивает электроны из N областей (и в какой-то мере из подложки), образуя тонкий слой N-типа в приповерхностной области Р-подложки. Этот слой и будет соединять исток и сток, являясь каналом N-типа. Полевые транзисторы с индуцированным N каналом управляются только положительным напряжением UЗИ, что отражено в их передаточных и выходных характеристиках (рис. 78). У полевых транзисторов с индуцированным р-каналом, принцип работы аналогичный транзистору с индуцированным N каналом, но так как носителями в нем служат дырки, а не электроны, полярность всех напряжений у такого транзистора противоположна транзистору с N каналом, что отражено в УГО полевого транзистора с индуцированным каналом.
Условное графическое обозначение полевого транзистора с индуцированным n – каналом показано на рисунке 79а, а на рисунке 79б условное графическое обозначение полевого транзистора с индуцированным p– каналом.
С
С
П
И
И
П
З
З
Рис.79
Как и биполярные, полевые транзисторы можно включать по схеме с общим затвором (ОЗ); общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее часто используется схема с ОИ, позволяющая получить значительные коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности одновременно.