Лекции Эл Приб / Лекции ЭлектронныеПриборы9

Лекция 9. Полевые транзисторы. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом.

Содержание:

• Классификация и основные особенности полевых транзисторов.

• Устройство полевого транзистора (ПТ), принцип действия и физические процессы в ПТ с управляющим p-n переходом.

• Статические характеристики. Крутизна.

Классификация и основные особенности полевых транзисторов. Полевые транзисторы (ПТ) используют принцип управления током, основанный на эффекте поля (эффект поля – влияние внешнего электрического поля на концентрацию носителей в полупроводнике). Биполярные и полевые транзисторы могут выполнять в схеме одинаковые функции (работать в усилительном или ключевом режиме). Главное отличие ПТ от БТ состоит в том, что цепь управления ПТ изолирована от выходной цепи диэлектриком или обратносмещенным р-n переходом. Полевые транзисторы часто называют униполярными, т.к. процесс переноса тока в них обеспечивается одним типом носителей заряда (основными носителями).

_{В зависимости от реализации эффекта поля ПТ делятся на два класса:}

_{1) ПТ с управляющим р-n переходом;}

_{2) ПТ с изолированным затвором.}

_{ПТ с изолированным затвором имеют структуру металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Обычно в качестве диэлектрика используют оксид полупроводника (диоксид кремния SiO2 в ПТ на основе кремния). Тогда говорят о МОП-транзисторах (металл-оксид-полупроводник).}

_{Важной особенностью полевых транзисторов является их высокое входное сопротивление.}

Устройство полевого транзистора (ПТ), принцип действия и физические процессы в ПТ с управляющим p-n переходом. ПТ с р-n переходом (рис. 9-1) представляет собой слой полупроводника – канал, ограниченный с двух сторон р-n переходами. В электрическую цепь канал подключается с помощью двух электродов – истока (И) и стока (С). Управление свойствами канала осуществляется с помощью затвора (З). ПТ могут быть n-канальные и р-канальные в зависимости от типа проводимости канала. Канал расположен в объеме полупроводника и существует при нулевом напряжении на затворе, т.е. является встроенным.

_{В процессе работы на управляющий р-n переход подается только запирающее напряжение, поэтому ток затвора – это ток обратносмещенного р-n перехода, в идеальном случае равный тепловому току I0.}

_{Прикладывая к затвору обратное напряжение Uзи относительно затвора, можно изменять ширину обедненных областей р-n переходов и, следовательно, ширину канала (рис. 9-2). Сопротивление канала определяется формулой}

,

где  - удельное сопротивление канала,

_{l – длина канала,}

_{S – площадь поперечного сечения канала.}

_{Увеличение обратного напряжения приводит к расширению обедненных областей и сужению канала. Площадь поперечного сечения канала уменьшается, а сопротивление растет. При определенной величине Uзи происходит перекрытие канала обедненными областями (рис. 9-3), что вызовет стремление сопротивления канала к очень большой величине (RК  ).}

_{Соответствующее этому случаю напряжение на затворе называется напряжением отсечки Uзи отс (для краткости в дальнейшем Uзи отс будем обозначать Uотс ).}

_{Напряжение на затворе Uзи управляет сопротивлением канала, поэтому полевой транзистор может использоваться в качестве резистора, управляемого напряжением Uзи :}

_{RК = f(Uзи ).}

_{При малых напряжениях на стоке Uси ток стока подчиняется закону Ома} , поэтому зависимость тока стока I_c от напряжения U_си является линейной (рис. 9-4).

Рассмотрим влияние напряжения сток-исток U_си на процессы в канале. При фиксированном отрицательном напряжении на затворе (U_зи < 0), по модулю меньшем напряжения отсечки, канал сужен, но не перекрыт (рис. 9-2). Если теперь на сток подать положительное напряжение (U_си > 0), то по каналу будет протекать ток I_с. Протекание тока вызовет падение напряжения вдоль канала. Чем ближе к истоку находится область канала, тем выше ее потенциал, поэтому запирающее напряжение р-n переходов растет вдоль канала. Обедненные области расширяются вблизи стока, а канал сужается (рис. 9-5 а).

_{Сужение канала с ростом Uси приводит к росту его сопротивления, поэтому ток стока растет медленнее, чем по линейному закону. При Uси = Uзи - Uотс канал перекрывается около стока (рис. 9-5 б). Напряжение на стоке, соответствующее этому случаю, называют напряжением насыщения Uнас = Uзи - Uотс. Само перекрытие канала обедненными областями есть следствие увеличения тока стока Iс , поэтому ток стока не прекращается, а практически прекращается его рост при дальнейшем увеличении Uси.}

_{Незначительное увеличение тока стока объясняется уменьшением длины канала и, как следствие, уменьшением его сопротивления.}

Статические характеристики. Крутизна.

1. Выходные характеристики ПТ.

Примем потенциал истока равным нулю (включение с общим истоком).

Выходные ВАХ представляют собой зависимость тока стока от напряжения сток-исток при постоянном напряжении затвор-исток: I_c = f(U_cи) при U_зи = const. Семейство выходных ВАХ изображено на рис. 9-6.

Различают три области работы ПТ:

1) крутая область (простирается от U_си = 0 до U_си = U_нас);

2) пологая область соответствует медленному росту I_с с ростом U_си;

3) область пробоя находится при больших значениях U_си и характеризуется резким возрастанием I_с.

Начальные участки выходных ВАХ линейны (рис. 9-4). С ростом U_си начинает сказываться сужение канала около стока и рост тока стока замедляется. При U_си > U_нас происходит медленный рост тока стока (пологая область). Лавинное размножение носителей начинается при достижении критического значения напряженности электрического поля в структуре ПТ. Обычно пробой происходит вблизи стока или в месте выхода р-n перехода на поверхность.

При работе ПТ в качестве усилителя используется пологая область выходной ВАХ.

_{2. Стоко-затворная ВАХ ПТ.}

_{При работе в усилительном режиме (в пологой области выходных ВАХ) ток стока слабо зависит от Uси. Зависимость тока стока от Uзи (при Uси = const) представляет собой стоко-затворную ВАХ (рис. 9-7).}

_{В пологой области выходных ВАХ стоко-затворные ВАХ для различных значений Uси практически сливаются в одну линию. Стоко-затворная ВАХ хорошо аппроксимируется выражением:}

(9-1)

где IСн – начальный ток стока (ток стока при напряжении на затворе, равном нулю).

График стоко-затворной ВАХ в идеальном случае представляет собой ветвь параболы.

3. Входные ВАХ ПТ представляют собой зависимость тока затвора Iз от напряжения на затворе Uзи при Uси = const. Входные ВАХ определяются свойствами обратносмещенного р-n перехода между затвором и каналом. В общем случае Iз определяется тепловым током I0, током термогенерации IG и током утечки Iут. Этот ток обычно весьма мал (10-9 – 10-12 А при комнатной температуре), но экспоненциально растет с повышением Т.

При работе в качестве усилителя малого сигнала важным параметром ПТ является крутизна:

(9-2)

при Uси = const. Крутизна находится дифференцированием стоко-затворной ВАХ. Для ПТ с идеальной ВАХ (9-1):

(9-3)

Крутизна зависит от выбора рабочей точки.

ПТ с управляющим р-n переходом чаще всего используются в усилительном режиме. Здесь решающую роль играет низкий уровень их собственных шумов и высокое входное сопротивление в схеме включения с ОИ. В некоторых случаях важную роль может играть их высокая радиационная стойкость. В аналоговой микросхемотехнике их часто используют во входных каскадах биполярных интегральных схем, что обусловлено хорошей технологической совместимостью с биполярными транзисторами.

В зависимости от требований к электронной схеме возможно использование ПТ в трех разных схемах включения: с общим истоком, с общим стоком и с общим затвором (рис. 9-8).

При включении с общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС) ПТ обладает высоким входным сопротивлением, а в схеме с общим затвором (ОЗ) – низким.