- •Физические основы электроники
- •200 800, 200 900, 201 000, 201 100, 201 200, 201 400
- •Содержание
- •Введение
- •1 Основы теории электропроводности полупроводников
- •1.1 Общие сведения о полупроводниках
- •1.1.1 Полупроводники с собственной электропроводностью
- •1.1.2 Полупроводники с электронной электропроводностью
- •1.1.3 Полупроводники с дырочной электропроводностью
- •1.2 Токи в полупроводниках
- •1.2.1 Дрейфовый ток
- •1.2.2 Диффузионный ток
- •1.3 Контактные явления
- •1.3.2 Прямое включение p-n перехода
- •1.3.3 Обратное включение р-п-перехода
- •1.3.4 Теоретическая вольтамперная характеристика p-n перехода
- •1.3.5 Реальная вольтамперная характеристика p-n перехода
- •1.3.6 Емкости p-n перехода
- •1.4 Разновидности электрических переходов
- •1.4.1 Гетеропереходы
- •1.4.2 Контакт между полупроводниками одного типа электропроводности
- •1.4.3 Контакт металла с полупроводником
- •1.4.4 Омические контакты
- •1.4.5 Явления на поверхности полупроводника
- •2 Полупроводниковые диоды
- •2.1 Классификация
- •2.2 Выпрямительные диоды
- •2.2 Универсальные и импульсные диоды
- •2.3 Стабилитроны и стабисторы
- •2.4 Варикапы
- •3 Биполярные транзисторы
- •3.1 Общие сведения
- •3.2. Принцип действия биполярного транзистора
- •3.3. Токи в транзисторе
- •3.4. Статические характеристики биполярных транзисторов
- •3.5. Дифференциальные параметры биполярного транзистора
- •3.6 Модели бт
- •3.7. Эксплуатационные параметры транзисторов
- •3.8 Частотные свойства биполярных транзисторов
- •4 Полевые транзисторы
- •4.2 Полевой транзистор с изолированным затвором
- •4.3. Дифференциальные параметры полевого транзистора
- •4.4 Эквивалентная схема пт
- •4.5 Частотные свойства полевых транзисторов
- •3.10 Работа транзистора в усилительном режиме
- •3.11 Работа транзистора в режиме усиления импульсов малой амплитуды
- •3.12 Работа транзистора в режиме переключения
- •3.13 Переходные процессы при переключении транзистора
- •Литература
- •Физические основы электроники
4 Полевые транзисторы
В полевых транзисторах, управление потоком основных носителей заряда осуществляется в области полупроводника, называемой каналом, путем изменения его поперечного сечения с помощью электрического поля. Полевой транзистор имеет следующие три электрода: исток, из которого они вытекают в канал, сток, в который основные носители втекают из канала, и затвор, предназначенный для регулирования тока путем изменения поперечного сечения канала.
Преимуществом полевых транзисторов является также и то, что ассортимент полупроводниковых материалов для их изготовления значительно шире (так как они работают только с основными носителями заряда), благодаря чему возможно создание, например, температуростойких приборов. Большое значение также имеют низкий уровень шумов и высокое входное сопротивление этих транзисторов.
Существует несколько разновидностей полевых транзисторов, различающихся физической структурой и способом управления проводимостью канала, которые в ряде устройств работают более эффективно, чем биполярные.
Полевой транзистор с управляющим p-n переходом.
На рисунке 4.1 приведена упрощенная структура полевого транзистора с управляющимp-nпереходом и каналомn-типа. В принципе канал может иметь электропроводимость, как p-типа, так и n-типа; посколькуmn >mpвыгоднее применять n-канал. Затвор выполняют в виде полупроводниковой области p+-типа. Во входную цепь между затвором и каналом включен источник обратного смещения UЗИ. Выходная цепь состоит из источника постоянного напряжения UСИплюсом подсоединенного к стоку. Исток является общей точкой схемы. Контакты истока и стока невыпрямляющие.
Полевой транзистор работает следующим образом. При отсутствии напряжения на входе основные носители
Рис. 4.1 ПТ с управляющим p-nпереходом. |
Если обратное напряжение UЗИподаваемое к затвору увеличить, то толщина p-n перехода по всей его длине увеличится, а площадь сечения канала и, следовательно, ток в цепи стока уменьшаются.
Указанный эффект будет тем сильнее, чем больше удельное сопротивление материала полупроводника, поэтому полевые транзисторы выполняют из высокоомного материала (с малой концентрацией примесей в канале). При обратном напряжении на затворе равном UЗИ0сечение канала в определенной его части станет равным нулю и ток через канал прекратится. Такой режим называется режимом отсечки.
Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом
В качестве статических характеристик ПТ представляются функциональные зависимости между токами и напряжениями, прикладываемыми к их электродам: входная характеристикаIЗ=f(UЗИ) приUСИ=const;характеристика обратной связиI3=f(UСИ) приUЗИ= const;характеристика прямой передачиIС=f(UЗИ) приUСИ=const;выходная характеристикаIС=f(UСИ) приUЗИ=const.
На практике широко используются лишь две последние характеристики, причем первую из них часто называют передаточной характеристикой.
Входная характеристика и характеристика обратной связи применяется редко, так как в абсолютном большинстве случаев входные токи ПТ пренебрежимо малы (от 10-8до 10-12А) по сравнению с токами, протекающими через элементы, подключенные ко входу.
На рисунке 4.2, а изображена характеристика прямой передачи IС=f(UЗИ).
-
а)
б)
Рис. 4.2. Характеристики прямой передачи (а) и выходные (б) ПТ с управляющим p-nпереходом.
При напряжениях на стоке UСИ >UЗИ0характеристика прямой передачи хорошо описывается формулой
, (4.1)
где IС0– ток стока приUЗИ=0.
На рисунке 4.2, б изображено семейство статических выходных характеристик IС=f(UСИ) при различных значениях напряжения затвора UЗИ. Каждая характеристика имеет три участка - омический (для UСИ < UЗИ0- UЗИ), насыщения (для UСИ > UЗИ0 - UЗИ) и пробоя. При UЗИ= 0 с увеличением напряжения UСток IСвначале нарастает почти линейно, однако далее характеристика перестает подчиняться линейному закону; ток IСначинает расти медленнее, ибо его увеличение приводит к повышению падения напряжения в канале и потенциала вдоль канала. Вследствие этого увеличиваются толщина запирающего слоя и сопротивление канала в области, прилегающей к стоку, это приводит к замедлению возрастания самого тока IС. При напряжении насыщения UСИ= UЗИ0сечение канала вблизи стока приближается к нулю и рост IСпрекращается.
В омической области UCИ< |UЗИ0- UЗИ| ток стока определяется формулой
,(4.2)
где КПТ – постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транзистора и свойства материала, из которого он изготовлен.
Значение КПТ можно выразить через параметры ПТ. Например, в случае ПТ с p-n-переходом
(4.3)
Следующая характеристика, снятая при некотором обратном напряжении затвора UЗИ1, когда запирающий слой имеет большую толщину при тех же значениях UСИ, будет более пологой на начальном участке и насыщение наступит при меньших значениях UСИ1=UЗИ0 -UЗИ1.
При больших напряжениях на стоке наблюдается резкое увеличение IС, и, если мощность рассеивания на стоке превышает допустимую, то происходит необратимый пробой участка затвор-сток. При увеличении запирающего напряжения до UЗИ2 увеличивается разность потенциалов между затвором и стоком. В этом случае пробой наблюдается при меньшем напряжении UСИ на величину напряжения UЗИ2, т.е. UСИ2 = UСИ1- UЗИ2.
Если к p-n-переходу затвор-канал прикладывать прямое напряжение, то обедненный слой уменьшается и эффективная толщина проводящего канала увеличивается. Выходной ток в данном случае возрастает. Однако при определенных значениях отпирающего напряжения (превышающих 0,6 В для кремниевых приборов) возникают существенные прямые токи перехода затвор-канал, ток стока и входное сопротивление прибора в этом случае резко падают. Из-за этого в большинстве случаев применения ПТ работа с прямыми токами затвора нежелательна. Поэтому обычно транзисторы с p-n-переходом используют при запирающих входных напряжениях.
Температурная зависимость тока истока связана с изменением подвижности основных носителей, заряда в материале канала. Для кремниевых транзисторов крутизна S уменьшается с увеличением температуры. Кроме того, с повышением температуры увеличивается собственная проводимость полупроводника, возрастает входной ток IЗчеред переход и, следовательно, уменьшается RВХ. У полевых кремниевых транзисторов с p-n переходом при комнатной температуре ток затвора порядка 1 нА. При увеличении температуры ток удваивается на каждые 10°С.
Особенность полевых транзисторов заключается в наличии у них термостабильной точки (ТСТ), т. е. точки, в которой ток стока практически постоянен при различных температурах (рисунок 4.3). Это объясняется следующим образом. При повышении температуры из-за уменьшения подвижности носителе удельная проводимость канала уменьшается, а, следовательно, уменьшается и ток стока. Одновременно сокращается ширина p-n перехода, расширяется проводящая часть канала и увеличивается ток. Первое сказывается при больших токах стока, второе при малых. Эти два противоположных процесса при определенном выборе рабочей точки могут взаимно компенсироваться. При правильном ее положения основной причиной дрейфа тока стока может быть высокоомный резистор в цепи затвора, в зависимости от температуры будет изменяться падение напряжения на нём и потенциал на затворе, которое изменит рабочий ток стока.
Полевые транзисторы с p-n переходом целесообразно применять во входных устройствах усилителей при работе от высокоомного источника сигнала, в чувствительной по току измерительной аппаратуре, импульсных схемах, регуляторах уровня сигнала и т. п.