Методические указания к лабораторной работе (исследование полевых транзисторов с управляющим п-н переходом)

Цель работы — изучение структуры, основных параметров и характеристик полевого транзистора с управляющим p — n переходом и исследования возможности его применения в различных режимах работы.

Задания:

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

Устройство и принцип действия полевого транзистора

с управляющим р — n переходом

Полевым транзистором называют полупроводниковый прибор,

обладающий усилительными свойствами, которые обусловлены потоком основных носителей заряда, протекающим через проводящий канал и управляемым поперечным электрическим полем. В отличие от биполярного транзистора действие полевого транзистора обусловлено носителями заряда одного знака (основными носителями) — либо только электронами в канале n—

типа, либо только дырками в канале р—типа. Поэтому полевые транзисторы называют еще униполярными.

Различают два основных вида полевых транзисторов : с управляющим

р—n переходом и с изолированным затвором.

Рассмотрим устройство и принцип действия полевого транзистора с р — n

переходом (рис.1).

Рис.1. Полевой транзистор с управляющим р — n переходом: а, б — упрощенные структуры, в — схема включения, поясняющая принцип действия, г,

д — условные графические обозначения соответственно с каналом n—типа и р— типа.

Он представляет собой полупроводниковую пластину (в данном случае n

— типа), от торце в которой с помощью невыпрямляющих металлических контактов сделаны выводы электродов. Электрод полевого транзистора, через который в проводящий канал втекают носители заряда, называют истоком И, а

электрод через который из канала вытекают носители заряда, — стоком С. Исток и сток обычно сильно легированные области, канал—слабо легированная область.

На грань пластины в ее центральной части помещают акцепторное вещество, создающее область р —типа, в результате образуется p — n переход. От р —области сделан вывод третьего электрода — затвора 3 для подачи на р — n

переход обратного напряжения.

При создании р — n перехода только с одной стороны пластины (рис. 1 ,а)

канал n — типа образуется между областью р — n перехода и непроводящей подложкой, на которой укреплена пластина. Чаще всего создают переходы с двух сторон пластины — на противоположных гранях — и электрически соединяют обе р —области в один вывод затвора (рис. 1,6). В этом случае проводящий канал образуется в пластине между областями двух р — n переходов. Обычно затвор является сильно легированной областью.

Схема включения полевого транзистора представлена на рис.1,в. За счет напряжения сток —исток Uси через канал и по внешней цепи протекает ток стока

Ic. Ширина области р — n перехода и связанная с ней проводимость канала меняется с изменением напряжения затвор —исток Uзи (пунктир на рис.1,в). Цепь между стоком и истоком является главной, а между затвором и истоком — управляющей.

Следует отметить, что при подаче на канал напряжения Uси потенциалы точек канала относительно истока неодинаковы по его длине: они возрастают по мере приближения к стоку от нуля до полного напряжения Uси . В связи с этим увеличивается и обратное напряжение на р — n переходе в направлении от истока к стоку от значения равного Uзи около истока до суммы Uзи+ Uси у стока. Это вызывает постепенное расширение области р — n перехода по мере приближения к стоку и соответствующее сужение канала: его сечение уменьшается в направлении от истокового канца к стоковому. С увеличением Uси возрастает влияние этого напряжения на сужение канала у стокового конца (рис. 1 ,в).

Такое же устройство и принцип действия имеют полевые транзисторы с р

— n переходом и каналом р —типа; по сравнению с транзисторами с каналом n —

типа они требуют противоположной полярности источников питания. Основные носители заряда в них — дырки.

В отличие от биполярных транзисторов, полевые транзисторы управляются не током, а напряжением (Uзи).

На рис. 1 г, д показаны условные графические обозначения полевых транзисторов с управляющим р — n переходом соответственно с каналами n—

типа и р —типа.

Статические вольт-амперные характеристики полевых троанзисторов

с управляющим р-n переходом.

Основные характеристики полевых транзисторов — выходные (стоковые)

и передаточные (стоко —затворные).

Стоковая характеристика отражает зависимость тока стока от напряжения затвор — исток:

Ic =f(Uси) | Uзи = Const

Характеристики, снятые при разных значениях неизменной величины Uзи ,

составляют семейство статических стоковых характеристик. На рис.2,а приведено семейство характеристик для полевого транзистора с р — n переходом и каналом n—типа.

Рис.2. Семейство стоковых характеристик (а) и стоко — затворная характеристика (б) полевого транзистора с управляющим р — n переходом.

Рассмотрим стоковую характеристику, снятую при Uзи=0, когда канал имеет максимальное исходное рабочее сечение. В ней можно выделить три участка.

Начальный участок выходит из начала координат (при Uси=0 ток Iс тоже равен нулю) и соответствует малым значениям напряжения Ucи , изменение которого почти не влияет на проводимость канала; канал полностью открыт,

поэтому ток Iс на этом участке растет прямо пропорционально напряжению Uси;

характеристика идет круто вверх (линейный режим).

По мере дальнейшего увеличения Uси 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 Uзи=0, у стокового конца равно по величине Uси . По мере увеличения Uси происходит сужение канала, уменьшается его проводимость и замедляется рост тока Iс. это соответствует криволинейной переходной области характеристики.

Дальнейшее увеличение Uси практически не вызывает роста тока, так как непосредственное влияние на величину тока компенсируется одновременным повышением сопротивления канала из-за его сужения. Максимальное сужение канала называют перекрытием канала. Этот режим называют режимом насыщения. Ему соответствует пологий , почти горизонтальный, участок характеристики. Напряжение, при котором начинается режим насыщения,

называют напряжением насыщения Uси нас, а ток при этом — током насыщения

Iс нас. Участок характеристики, соответствующий режиму насыщения,

используется в усилителях как рабочий.

При дальнейшем увеличении Uси, когда оно достигает определенного значения, ток резко возрастает. Это соответствует лавинному пробою р — n

перехода вблизи стока, где канал имеет наименьшее сечение, а обратное напряжение на р — n переходе — наибольшую величину. Пробой транзистора недопустим, поэтому в рабочем режиме повышение Uси ограничивается максимально допустимым значением, указываемым в справочниках.

Характеристики, снимаемые при значениях Uзи ≠0, располагаются ниже рассмотренной характеристики при Uзи =0, причем тем ниже, чем больше по абсолютной величине напряжение затвор — исток. С увеличением напряжения

Uзи , при котором снимается стоковая характеристика, исходное сечение канала становится меньше, его сопротивление — больше, менее круто идет начальный участок характеристики, а также при меньшем Uси и токе Iс наступает режим насыщения. Пробой транзистора в этом случае наступает при меньшем напряжении Uси .

Полевой транзистор может быть использован не только в схемах усиления,

но и в качестве управляемого омического сопротивления. В этом случае он работает в режиме, соответствующем начальному крутому участку стоковой характеристики.

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

(рис.2,б).

Ic =f(Uзи) | Uси = сonst

Эта зависимость характеризует управляющее действие входного напряжения на величину выходного тока.

При данном постоянном напряжении Uси , взятом в рабочем режиме, т.е. на участке насыщения, и при Uзи =0 точка характеристики лежит на оси тока и соответствует величине, равной току насыщения Iс нас. С увеличением напряжения Uзи по абсолютной величине проводимость канала уменьшается, что приводит к уменьшению тока. Увеличение напряжения Uзи вызывает уменьшение сечения проводящего канала до тех пор, пока он не оказывается перекрытым; ток через канал прекращается, транзистор закрывается, так как сток и исток изолированы друг от друга. Напряжение затвор — исток, при котором ток через канал прекращается, называется напряжением отсечки Uзи отс.

На рис.2,б приведена одна стоко — затворная характеристика, поскольку изменение Uси очень мало влияет на ток Iс и характеристики, снятые при разных значениях неизменной величины Uси , располагаются очень близко друг к другу.

Между напряжением насыщения и напряжением отсечки существует зависимость Uси нас = Uзи отс — Uзи, отсюда при Uзи =0 Uси нас = Uзи отс (без учета контактной разности потенциалов в р — n переходе).

Структура эпитаксиально-планарного полевого транзистора

Структура планарного транзистора с управляющим р — n переходом показана на рис.З. На подложке 1 р—типа создается эпитаксиальный слой

2 n —типа. Методом диффузии формируется область затвора 4 р+ — типа, истока

3 и стока 5 n+ — типа, к которым создаются выводы. Каналом является слой n—

типа 6, заключенный между областью затвора 4 и подложкой 1. Области 4 и 6

образуют управляющий р — n переход.

Рис.З. Структура эпитаксиально — планарного полевого транзистора с управляющим р — n переходом.

Важнейшие параметры структуры — длина канала L, равная длине затвора, толщина канала α, равная расстоянию между металлургическими

границами двух р — n переходов, и ширина Z — размер в направлении,

перпендикулярном чертежу.

Электрофизическая модель полевого транзистора с управляющим

р—n переходом.

Будем считать, что выполняются следующие предположения:

1.Размер области, обедненной зарядами, изменяется по линейному закону

(плавный канал).

2.Переход р+ —n является резким.

3.Явлениями, происходящими вне канала толщиной W можно пренебречь.

4.В пределах канала n —типа концентрация легирующей примеси постоянна.

Воспользуемся формулой для определения толщины обедненной области в резком р — n переходе, к которому приложено внешнее напряжение

(1)

где εan= εn ε0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость полупроводника, q —заряд электрона, Na и Nd — концентрации соответственно акцепторной и донорной примесей, U0 — контактная разность потенциалов в р — n переходе.

Имея в виду физическую и геометрическую симметрию прибора, можно провести аналитическое рассмотрение, обратившись к поперечному разрезу

(рис.4).