План лекции
1. Полевые транзисторы с p-n переходом
2. Полевые транзисторы МОП-структуры
3. Сравнение полевых и биполярных транзисторов
Полевые транзисторы являются вторым поколением транзисторов после биполярных. В отличие от биполярных, в полевых транзисторах принцип действия основан на управлении основными носителями в канале приложенным к этому каналу напряжением. Таким образом, полевые транзисторы являются униполярными приборами, имеющими намного большее значение входного сопротивления, нежели биполярные.
1. Полевые транзисторы с p-n переходом
Полевые транзисторы с p-n переходом бывают двух типов: с n- и p- каналом. Рассмотрим полевой транзистор с n- каналом (см. рис. 10.1.а).
На двух сторонах полупроводниковой пластины n- типа созданы две сильнолегированных области. Эти две p- области соединены вместе и образуют вывод, называемый затвором. Два других вывода (сток и исток) образованы на двух концах полупроводниковой пластины.
Между двумя p- областями затвора находится n- область, называемая каналом. Естественные процессы дрейфа и диффузии зарядов на p-n переходе образуют области обеднения на границе p- затвора и n- подложки. Для нормальной работы n- канального полевого транзистора с p-n переходом внешний источник напряжения прикладывается так, чтобы сток был положительным по отношению к истоку.
Рис. 10.1 а) структура n- канального полевого транзистора; б) стандартное смещение n- канального полевого транзистора с p-n переходом
Это внешнее напряжение вызывает ток, называемый током стока ID, который протекает между стоком и истоком. Ток стока в n- канальном транзисторе состоит только из электронов, исходящих из истока. Другой источник напряжения, подключенный между затвором и истоком, отрицательным полюсом к затвору, смещает p-n переходы на каждой стороне канала.
Ширина областей обеднения зависит от величины обратно смещающего напряжения затвор-исток VGS (см. рис. 10.1.б). Если напряжение VGS станет отрицательнее, то области обеднения расширяются и проникают внутрь области канала, потому что область канала легирована намного слабее, чем p+ затворы. В результате этого канал становится уже и сопротивление его возрастает.
Исследуем поведение тока стока ID при увеличении напряжения сток-исток VDS. Предположим, что затвор накоротко соединен с истоком, то есть VGS = 0 В. При увеличении напряжения сток-исток, ток стока будет линейно возрастать, как это и бывает с полупроводником при малых приложенных напряжениях.
Согласно закону Ома
где RDS – сопротивление канала.
Это сопротивление можно выразить через параметры канала следующим образом
Важно, что распространение области обеднения в канале увеличивается при увеличении напряжения сток-исток. При этом ширина обедненной области больше (а канал уже) возле стока, чем возле заземленного истока (см. рис. 10.2).
Рис. 10.2 Сечение области обеднения полевого транзистора
Профиль области обеднения можно объяснить падением напряжения вдоль канала, вызванным протеканием тока стока. Напряжение у вывода стока равно + VDS по отношению к истоку, а вывод истока имеет потенциал земли. Напряжение на канале более положительно в области стока. Поэтому напряжение обратного смещения между p- затвором и n- каналом больше вблизи стока, что и обусловливает более широкую область обеднения вблизи стока.
Напряжение канала падает по мере приближения к истоку. Следовательно, область обеднения становится шире у истока, как это показано на рис. 10.2. Если далее увеличивать напряжение сток-исток, то две области обеднения коснуться друг друга возле стока, как это показано на рис. 10.3. Это состояние называется отсечкой. Напряжение стока VDS, при котором происходит отсечка, называют напряжением отсечки Vp. Напряжение отсечки является важным параметром полевого транзистора с p-n переходом. У транзисторов с n- каналом это напряжение положительно, а у транзисторов с p- каналом – положительно.
Рис. 10.3 а) профиль зоны обеднения при напряжении отсечки; б) стоковая характеристика при напряжении затвор-исток VGS = 0.
Область обеднения это область высокого сопротивления полупроводника. Поэтому с увеличением напряжения сток-исток, величина тока стока перестает изменяться, достигая своего предельного значения IDSS.
При дальнейшем увеличении напряжения сток-исток, ток стока может резко увеличиться из-за лавинного пробоя. Поэтому максимально допустимое значения напряжения сток-исток (VDSmax)указывается производителем в технических характеристиках данного транзистора. Для различных транзисторов это значение находится в диапазоне от 30 до 100 В.
На рис. 10.4 показана структура p- канального полевого транзистора с p-n переходом. Поскольку в данном транзисторе имеется канал p- типа, то носителями тока являются дырки. Все полярности напряжений в p- канальном полевом транзисторе противоположны полярностям n- канального.
Рис. 10.4 Структура p- канального полевого транзистора; условные графические изображения полевых транзисторов с p-n переходом: а) с n- каналом; б) с p- каналом
Для определения вольт-амперных характеристик полевых транзисторов с p-n переходом следует собрать установку, изображенную на рис. 10.5. Для этого следует увеличивать значения напряжений затвор-исток, и (фиксируя его) измерять изменение тока стока в зависимости от напряжения сток-исток. Такие кривые называются стоковые характеристики.
Видно, что при VGS = – 1 В распространение обедненного слоя внутрь канала больше, чем при VGS = 0 В. Увеличение напряжения сток-исток также увеличивает ток стока, но отсечка происходит при меньшем напряжении сток-исток.
Соединение всех точек, на которых начинается отсечка, дает параболическую линию, изображенную на рис. 10.5 пунктиром.
Область, лежащая слева от пунктира, называется омической областью. В этой области сопротивление между стоком и истоком управляется напряжением сток-исток VDS. В некоторых схемах полевой транзистор работает именно в этом режиме, когда напряжение сток-исток мало и канал находится в режиме отсечки.
В этом случае ток стока можно выразить через напряжение сток-исток следующей квадратичной зависимостью
Для малых напряжений сток-исток это уравнение можно заменить линейным
Коэффициент k равен
Рис. 10.5 Схема установки для определения стоковых характеристик и стоковые характеристики полевого транзистора с p-n переходом
В омической области сопротивления сток-исток обычно лежит в интервале от 100 Ом до 10 кОм.
При использовании полевого транзистора в качестве усилителя малого сигнала, он обычно работает в области насыщения. Как можно увидеть из стоковых характеристик, в области насыщения напряжение сток-исток больше напряжения отсечки и ток стока почти не зависит от напряжения сток-исток.
Соотношение между выходным током и входным напряжением можно получить, заменив в уже полученном уравнении VDS = VGS – Vp.
Это уравнение можно использовать для получения передаточной характеристики полевого транзистора. Эти характеристики показаны на рис. 10.6. Эти характеристики имеют большое практическое значение, поскольку позволяют определить величину крутизны транзистора.
 |
Рис. 10.6 Передаточные характеристики полевого транзистора с p-n переходом
2. Полевые транзисторы МОП-структуры
У полевых транзисторов МОП-структуры электрод затвора отделен от полупроводникового канала изолирующим оксидным слоем. По этой причине данные транзисторы называют транзисторами с изолированным затвором. Такой транзистор управляется электрическим полем, созданным напряжением между затвором и полупроводником и это поле передается через слой оксида.
В зависимости от того, каким способом изменяется проводимость канала, МОП-транзисторы разделяются на два вида:
- обедненные МОП-транзисторы;
- обогащенные МОП-транзисторы.
Каждый из этих видов может быть n- или p- типа.
Структура МОП-транзистора с обедненным слоем показана на рис. 10.7. На подложке p- типа созданы два сильнолегированных участка, обозначенных n+. Один из них служит истоком, другой – стоком. Между стоком и истоком имплантирован n- канал, в котором имеются подвижные электроны проводимости.
Рис. 10.7 Структура n- канального обедненного МОП-транзистора
n- Канал обедненного МОП-транзистора обычно работает с положительным напряжением между стоком и истоком. Подложка, как правило, имеет внутреннее соединение с истоком. Напряжение между затвором и истоком VGS может быть положительным, нулевым и отрицательным. Это существенно отличает МОП-транзисторы от транзисторов с p-n переходом.
На рис. 10.8 изображен транзистор с отрицательным напряжением затвор-исток VGS. Пусть VGS = 0 В. Если увеличивать напряжение сток-исток VDS от нуля, ток стока будет увеличиваться линейно по закону Ома до тех пор, пока напряжение VDS меньше напряжения отсечки (ситуация, аналогичная транзистору с p-n переходом). При увеличении напряжения сток-исток выше напряжения отсечки ток стока будет увеличиваться незначительно, то есть, ток стока будет слабо зависеть от напряжения сток-исток и статическая характеристика станет практически горизонтальной. Эта область также называется областью насыщения. А величина тока стока при VDS = Vp – током насыщения IDSS.
Рис. 10.8 а) Отрицательное напряжение VGS индуцирует положительные заряды в n- канале; б) обеднение канала в результате индуцирования зарядов, вызванных отрицательным напряжением VGS.
Когда напряжение на затворе по отношению к истоку будет отрицательным, электрическое поле будет индуцировать в канале положительные заряды. Процесс индукции положительных зарядов в n- канале через изолирующий слой схематически показан на рис. 10.8.а.
Поскольку некоторые электроны рекомбинируют с индуцированными положительными зарядами, и не участвуют в процессе электропроводности, то под оксидным слоем остается область обеднения, как показано на рис. 10.8.б. В результате канал становится уже, его сопротивление возрастает из-за потери части подвижных электронов и ток стока уменьшается. При более отрицательном напряжении затвор-исток область обеднения увеличивается, и, наконец, электроны проводимости полностью исчезают. В этом случае ток стока уменьшается до нуля.
Наименьшее отрицательное напряжение затвор-исток VGS, при котором в канале полностью отсутствуют подвижные носители, называется пороговым напряжением VT (аналогично напряжению отсечки Vp у транзистора с p-n переходом). Канал отсекается по всей длине, когда отрицательное напряжение VGS больше или равно VT. В этом случае ток стока будет равен нулю при любых значениях напряжения сток-исток. При отрицательных напряжениях VGS между нулем и величиной VT стоковые характеристики аналогичны характеристикам n- канального полевого транзистора (см. рис. 10.9).
Рис. 10.9 Стоковые характеристики n- канального МОП-транзистора в режимах обогащения и обеднения
Отсутствие p-n перехода между затвором и областью канала у МОП-транзистора допускает приложение положительного напряжения затвор-исток для обедненного n-МОП-транзистора. Положительное напряжение VGS создает поле, индуцирующее в канале больше подвижных носителей (в данном случае, электронов). Это повышает проводимость канала и увеличивает ток стока. Говорят, что при положительном напряжении затвор-исток транзистор работает в режиме обогащения. Следовательно, обедненный МОП-транзистор может работать и в режиме обогащения, и в режиме обеднения.
При работе в омической области напряжение VDS мало и недостаточно для отсечки канала. В этой области ток стока линейно зависит от напряжения сток-исток, что может быть выражено следующим выражением:
Для малых напряжений сток-исток это выражение можно упростить
где k равен
При работе в области насыщения, то есть при больших значениях напряжений сток-исток, ток стока не зависит от напряжения VDS. Заменив VDS на VGS – VT, получим
Это выражение описывает передаточную характеристику для обедненного n-МОП-транзистора, показанную на рис. 10.10.а. Передаточная характеристика для обедненного p-МОП-транзистора показана на рис. 10.10.б.
Можно показать, что она может быть приближенно описана следующим соотношением:
 |
Рис. 10.10 а) Передаточная характеристика n- канального обедненного МОП-транзистора: б) передаточная характеристика p- канального обедненного МОП-транзистора
Условные графические изображения всех, рассмотренных МОП-транзисторов показаны на рис. 10.11.
Рис. 10.11 Условные графические обозначения МОП-транзисторов (слева направо: n- канальный, упрощенное обозначение, p- канальный, упрощенное обозначение
3. Сравнение полевых и биполярных транзисторов
У полевых транзисторов имеется ряд преимуществ по сравнению с биполярными.
1. Они обладают очень высоким входным сопротивлением (десятки или сотни мегом). По этой причине для работы полевых транзисторов требуются меньшие токи, что увеличивает время их работы от батареи электропитания.
2. В работе биполярных транзисторов основную роль играют диффузные токи, а в работе полевых – дрейфовые. Дрейф зарядов является более быстрым процессом, чем диффузия, поэтому полевые транзисторы могут работать на более высоких частотах.
3. В интегральных схемах для формирования полевых транзисторов требуется меньшее число этапов, поскольку их структура проще. Они занимают меньше места, что позволяет получить более высокую плотность их размещения.
4. Полевые транзисторы менее чувствительны к ионизирующим излучениям (у биполярных при излучении изменяется коэффициент передачи β.
5. При работе в ключевом режиме у полевых транзисторов отсутствует смещение (биполярным, как минимум, требуется напряжение отпирания 0,6 В).
6. Полевые транзисторы обладают лучшей температурной стабильностью.
7. Коэффициент шума полевых транзисторов меньше чем у биполярных.
Однако коэффициент усиления полевых транзисторов меньше, чем у биполярных, поэтому в мощных усилительных каскадах чаще применяются биполярные транзисторы.
Дата: 2019-03-05, просмотров: 317.
