лекция_12

§ 1 «Униполярные транзисторы. Общие понятия»

Работа униполярных транзисторов основана на использовании носителей заряда одного знака: либо электронов, либо дырок. В биполярных транзисторах работают оба типа носителей заряда: инжекция носителей одного знака сопровождается компенсацией образующегося заряда носителями другого знака.

Термин «полевые» характеризует механизм управления током – с помощью электрического поля (а не током базы как в биполярных транзисторах).

В зарубежной литературе полевые транзисторы носят название FET (field effect transistors).

Униполярные транзисторы имеют несколько разновидностей:

Полевой транзистор

Каждый из указанных видов полевых транзисторов может быть как n- , так и p- типа проводимости.

Униполярные транзисторы с каналом p-типа принципиальных отличий от n- канальных не имеют, однако уступают полевым транзисторам n-типа по частотным свойствам, шумам и стабильности. На частотные свойства помимо паразитных емкостей влияет подвижность носителей заряда. Так для кремния (Si) подвижность электронов μn = 1400 см2/В·с, а подвижность дырок μp = 500 см2/В·с.

§ 2 «Омический контакт»

Омический контакт служит для связи активной области прибора с другими элементами или компонентами интегральной схемы или, в случае дискретного исполнения прибора, с внешними выводами его корпуса.

Обычно омический контакт имеет структуру Me-n+ или Me-p+. Омический контакт должен удовлетворять следующим требованиям:

-сопротивление такого контакта R → 0; на практике оно может быть пренебрежимо мало по отношению к объемному сопротивлению полупроводника;

-контакт не должен быть инжектирующим, поскольку при инжекции с контакта увеличивается ток;

-вольтамперная характеристика должна быть линейной.

Параметры омических контактов 1. Скорость рекомбинации на контакте

Фр – плотность потока носителей заряда через контакт;

техники. Высокое входное сопротивление позволяет применять их во входных каскадах линейных усилительных схем. Приборы характеризуются достаточно высокой стабильностью и радиационной стойкостью. Поскольку канал транзистора с р-n- переходом расположен в объеме полупроводника, а не у поверхности, как в МДПтранзисторе, то подвижность носителей, а следовательно и уровень токов, и быстродействие у полевых транзисторов выше. Достоинством этих приборов также является совместимость технологии их изготовления с технологией биполярных ИС. Это позволяет получить линейные ИС, в которых первый каскад содержит полевой транзистор (с высоким входным сопротивлением), а последующие каскады состоят из биполярных транзисторов (что обеспечивает высокий коэффициент усиления).

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом представляет собой пластину полупроводника n- или p- типа, у которой с торца имеются омические контакты, а на

обеих больших гранях – слои p- типа (для n- канального) и n - типа (для p- канального).

З

p

p

Оба слоя соединены между собой и образуют единый электрод, который называется затвором. Двумя другими электродами являются омические контакты. Тот контакт, от которого движутся основные носители заряда, называется истоком, а тот, к которому движутся – стоком. Оба образующихся p-n перехода работают в обратном направлении. Для этого на затвор подается отрицательное смещение относительно истока для n- канального полевого транзистора и положительное для p- канального.

Принцип действия транзистора заключается в том, что при изменении потенциала затвора меняется ширина р-п переходов, а значит и рабочее сечение канала. В результате меняются его сопротивление и соответственно ток в рабочей цепи. Поскольку р-п переходы работают в обратном включении, их сопротивление для входного сигнала велико и входная мощность мала. Полезная мощность, определяемая величиной питающего напряжения и соотношением сопротивлений канала и нагрузки, может значительно превышать входную мощность. Таким образом, полевой транзистор с управляющим р-п переходом является усилительным прибором типа управляемого активного сопротивления. При достаточном смещении затвора расширившиеся переходы могут перекрыть все сечение канала; это вызовет о т с е ч к у тока в рабочей цепи.

§ 3 «Модель полевого транзистора с управляющим p-n переходом»

Назовем каналом рабочий (переменный) объем пластинки, расположенный между р-п переходами. Пренебрегая пока «холостыми» участками пластинки, прилегающими к истоку и стоку, можно представить структуру полевого транзистора с управляющим p-n переходом в упрощенном виде.

Обозначим максимальную толщину канала через а, его ширину через Z и длину через L. Пусть Uc = 0, тогда канал будет эквипотенциальным слоем и напряжение на р-п переходах будет одинаковым U3 на протяжении всего канала. Соответственно в любой точке толщина p-n перехода равна l, а толщина канала:

w=a-2l

Подставляя сюда выражение для толщины p-n перехода l

и полагая qNД = 1/ρ·μn, получаем: w a 22 0 n UЗ

Из условия w = 0 легко найти напряжение отсечки:

В рабочем режиме, когда Uc ≠ 0, канал не является эквипотенциальным слоем; в разных точках х потенциал различен: он меняется от Ux = 0 около истока до Ux = + Uс около стока. Поэтому обратное напряжение на р-п переходах, равное Uз + Ux, увеличивается в направлении от истока к стоку. Соответственно ширина перехода в этом направлении растет, а канал сужается (а – сечение канала при ненасыщенном режиме).

Внаиболее узком месте (около стока) напряжение на переходе равно U3 + Uс. С ростом Uс это напряжение в конце концов делается равным Uзо и переходы почти смыкаются (б – на границе насыщения).

Вотличие от случая Uз = Uзо это, разумеется, не приводит к отсечке тока, так как само «смыкание» является следствием увеличения тока. Вместо отсечки тока происходит отсечка его приращений, т. е. резкое возрастание дифференциального сопротивления канала. При этом на кривой Iс (Uс), начиная с некоторой точки Н, получается практически горизонтальный участок.

Такой режим можно назвать насыщением, а напряжение Uс, при котором он наступает, — напряжением насыщения. Эта величина получается из условия U3 + Uc = U30 и равна:

Uс.н = Uз0 – Uз

Поэтому напряжение Uс.н уменьшается с ростом U3.

Семейство выходных характеристик полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

В режиме насыщения, когда Uс > Uс.н, потенциал «горловины» канала сохраняет значение Uс, (в противном случае канал должен был бы еще больше сужаться, что невозможно), но «горловина» сдвигается относительно стока (в - при насыщенном режиме). Разность потенциалов Uс – Uс.н, падает на участке между стоком и «горловиной», а протяженность этого участка определяется формулой

если положить U = Uс – Uс.н. Таким образом, в режиме насыщения происходит модуляция длины канала.

§ 4 «Модель Эквивалентная схема ПТ с управляющим p-n переходом»

Канал транзистора и переход затвора нужно было бы представить в виде линий RC с распределенными параметрами, но это, как всегда, затрудняет последующее использование схемы для расчетов. Поэтому на рисунке и канал, и затвор представлены сосредоточенными параметрами. Канал представлен дифференциальным сопротивлением rс и межэлектродной емкостью Сси, величина которой определяется геометрией и

материалом прибора. Затвор представлен сопротивлением r3 и усредненной емкостью С3 . Сопротивлением r3 часто пренебрегают в связи с его большой величиной; поэтому на рисунке оно показано пунктиром. Емкость затвора заряжается через усредненное

сопротивление RK , которое обусловливает конечную постоянную времени τ3. Усилительные свойства транзистора отражены генератором тока SU3.

Типичными значениями параметров кремниевых ПТ с управляющим p-n переходом (в режиме UСИ = 10 В, UЗИ = 0) являются: S = 0,3 3 мА/В, r3 = 1010 Ом, rс = 0,1 1 МОм, RК = 75 200 Ом, С3 = 3 10 пФ, СЗИ = 0,5 пФ, ССЗ = 0,5 пФ, ССИ = 0,3 1 пФ.

В инверсном режиме (если сток и исток поменять местами) параметры отличаются от приведенных; в частности, RK = 500 800 Ом, СЗ = 0,3 3 пФ.