4.9 Статические вах полевых транзисторов с p – n переходом

Основные характеристики полевых транзисторов – выходные (стоковые) и передаточные (стокозатворные).

Стоковая характеристика – отражает зависимость тока стока от напряжения сток–исток при постоянном напряжении затвор исток: (рисунок 38,а).

В начале участка кривая выходит из начала координат и соответствует малым значениям изменение которого почти не влияет на проводимость канала, канал полностью открыт. Поэтому ток на этом участке растет пропорционально напряжению . По мере дальнейшего увеличения напряжения начинает сказываться его влияние на проводимость канала. Причиной этого служит возрастание потенциала точек канала в направлении к стоку и соответственно рост обратного напряжения на p – n – переходе, которое при , у стокового конца равно величине . По мере увеличения происходит сужение канала, уменьшается его проводимость и замедляется рост тока .

Максимальное сужение канала называется перекрытием канала. Этот режим называют режимом насыщения. Напряжение, при котором начинается режим насыщения, называют напряжением насыщения – ток током насыщения . Участок характеристики, соответствующий режиму насыщения, используется в усилителях как рабочий.

При дальнейшем увеличении напряжения , происходит лавинный пробой p–n –перехода, вблизи стока. Пробой транзистора недопустим поэтому в рабочем режиме ограничивается максимально допустимым значением.

Стоко–затворная характеристика – это зависимость тока стока от напряжения при неизменной величине напряжения сток–исток

.

Эта зависимость характеризует управляющее действие входного напряжения на величину выходного тока. При и точка лежит на оси 8 мА (рисунок 38,б). С увеличением напряжения , проводимость канала уменьшается, ток стока уменьшается до тех пор, пока канал не окажется перекрытым: ток через канал прекращается, транзистор закрывается. Напряжение, при котором ток через сток–исток прекращается, называют напряжением отсечки.

Между напряжением насыщения и напряжением отсечки существует зависимость. .

Изменение температуры мало влияет на работу полевого транзистора, т.к. при увеличении температуры уменьшается ширина p – n перехода, что должно способствовать увеличению , однако с увеличением температуры уменьшается подвижность основных носителей, что вызывает рост сопротивления канала и уменьшает . Повышение температуры снижает напряжение из–за увеличения обратного тока p – n –перехода.

4.10 Параметры полевых транзисторов с p – n переходом

Основные параметры следующие: крутизна стоко–затворной характеристики, коэффициент усиления, внутреннее сопротивление, входное сопротивление, ток и напряжение насыщения при нулевом напряжении на затворе, напряжение отсечки, а также параметры предельных режимов: максимально допустимый ток стока при , допустимое, допустимое, – максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Рисунок 37

Статическая крутизна характеристики S – показывает влияние напряжения затвора на выходной ток транзистора и определяется

.

Крутизна определяет наклон стоко–затворной характеристики; по величине крутизны оценивают управляющее действие затвора. Численное значение определяется малыми приращениями и соответственно . Примерная величина этого параметра .

Внутреннее (дифференциальное) сопротивление показывает влияние напряжения сток–исток на выходной ток транзистора . Оно определяется по наклону стоковой характеристики на участке насыщения как

.

Чем больше , тем более полого идет характеристика в области насыщения. Входное из–за большого сопротивления p – n – перехода.

Статическим коэффициентом усиления напряжения  – характеризуются усилительные свойства полевых транзисторов, который может быть найден как произведение .

Коэффициент усиления показывает во сколько раз изменение напряжения затвор–исток сильнее влияет на ток стока, чем такое же изменение напряжения сток–исток

.

Кроме этих параметров для высокочастотных полевых транзисторов учитывается такой параметр как межэлектродные емкости.

Максимально допустимое напряжение сток–исток выбирают с запасом примерно 1.5 раза меньше напряжения пробоя сток–затвор, при .

4.11 МДП – транзисторы

МДП – транзисторами называют полевые транзисторы с изолированным затвором. Затвор представляет собой металлический слой, электрически изолированный от полупроводниковой области проводящего канала тонким слоем диэлектрика. МДП изготовляют на основе кремния. Чаще всего в качестве диэлектрика используется пленка окисла кремния . Получается МОП – окисел – полупроводник.

В зависимости от технологии изготовления различают две разновидности МДП транзисторов: со встроенным каналом, созданным в процессе изготовления, и с индуцированным каналом, который наводится электрическим полем под действием напряжения на затворе. Канал может быть p –типа и n – типа.

МДП транзистор со встроенным каналом n – типа, исходным материалом служи кремниевая пластина p – типа, называемая подложкой. В ней создаются области n – типа с большой концентрацией донорной примеси, образующие сток–исток, а между ними тонкий приповерхностный слой n – типа с малой концентрацией примеси, являющийся токопроводящим каналом. На поверхности кристалла создается оксидная пленка , которая изолирует затвор от канала, а также защищает кристалл от внешних воздействий. Металлические контакты с внешними выводами осуществляются от области стока и истока, от металлического затвора, а также в некоторых случаях от подложки. Чаще всего вывод от подложки соединяют с истоком.

Принцип действия МДП – транзистора со встроенным каналом рисунок 39, б основан на изменении проводимости канала под действием поперечного электрического поля, создаваемого напряжением на затворе.

При через транзистор протекает ток под действием напряжения сток–исток приложенного + к стоку при канале n – типа.

По мере увеличения напряжения канал к стоку сужается, проводимость уменьшается, происходит плавный переход к режиму насыщения, при дальнейшем увеличении напряжения происходит пробой.

При подаче на затвор отрицательного напряжения, электрическое поле затвора отталкивает электроны, вытесняя их из канала в область подложки. Канал обедняется основными носителями заряда, проводимость его уменьшается, а значит уменьшается и ток стока . Чем больше отрицательное напряжение затвора по абсолютной величине, тем меньше проводимость канала и меньше .

При подаче положительного напряжения на затвор, электрическое поле затвора притягивает электроны из р – слоя в канал и от n – слоев стока и истока: канал обогащается основными носителями заряда и его проводимость увеличивается. С повышением положительного напряжения на затворе возрастает ток стока .

Cтоко–затворная характеристика МДП транзистора (рисунок 40,б) отражает зависимость тока стока от напряжения затвор–исток. При некотором значении отрицательного напряжения затвор–исток, электроны будут полностью вытеснены из канала, т.е. канал исчезнет, а ток через транзистор упадает до нуля: транзистор закрыт.

МДП транзистор с индуцированным каналом. В отличие от транзистора со встроенным каналом здесь первоначально на подложке р – типа создаются области n –типа истока и стока, а канал не создается. Поэтому при отсутствии управляющего напряжения на затворе транзистор остается закрытым.

Это объясняется тем, что при любой полярности напряжения оба p – n перехода (исток–подложка и сток–подложка) находятся под обратным напряжением, а канал отсутствует.

При подаче на затвор положительного напряжения относительно истока, электрическое поле затвора отталкивает дырки подложки от приповерхостного слоя под затвором в глубину полупроводника, а электроны притягивает в этот слой к границе с диэлектриком. Это приводит к изменению типа электропроводности тонкого слоя у границы на противоположный (инверсия) т.е. индуцируется проводящий канал n – типа.

Напряжение на затворе, при котом ток становится равным нулю при данном значении напряжения , называется пороговым напряжением . При отрицательном напряжении на затворе канал n–типа не индуцируется: транзистор остается закрытым.

Преимущество МДП – транзисторов перед полевыми с управляемым p–n–переходом является гораздо большее входное сопротивление, , существенно меньшие межэлектродные емкости.

Условно-графическое обозначения МДП транзистора с встроенным каналом n-типа изображено на рисунке 42, а; с каналом р – типа на рисунке 42, б; с каналом n–типа с выводом от подложки на рисунке 42, в; с каналом р – типа с выводом от подложки на рисунке 42, г. Аналогично классифицируется условно-графические обозначения МДП транзисторы с индуцированным каналом (рисунок 43,а,б,в,г).

Широкое распространение получили МДП–транзисторы в интегральных микросхемах благодаря удобной технологии изготовления, низкой стоимости, высокому входному сопротивлению, малому собственному шуму, а также большому коэффициенту усиления напряжения и мощности.