Польові транзистори з ізольованим затвором. Будова. Принцип дії

Цель: Ознакомиться с основными положениями построения и функционирования транзисторов МОП-структуры.

План.

1. Транзистор с индуцированным каналом.

2. Транзистор со встроенным каналом.

3. Статические характеристики.

Ход лекции.

1. Транзистор с индуцированным каналом.

Принцип работы основан на эффекте поля в поверхностном слое полупроводника.

В зависимости от полярности напряжения (относительно истока) канал может обедняться или обогащаться носителями заряда.

Транзистор с индуцированным каналом.

Uз = 0; Ic1 = 0;

Uз < 0; Ic2 = 0;

Uз > 0; Ic3 > 0.

Рисунок 1 – Структура транзистора с индуцированным каналом

При напряжениях на затворе, равных или меньше нуля, канал отсутствует, и ток стока будет равен нулю. При положительных напряжениях на затворе электроны, как не основные носители заряда подложки p-типа, будут притягиваться к затвору, а дырки будут уходить вглубь подложки. В результате в тонком слое под затвором концентрация электронов превысит концентрацию дырок, т. е. в этом слое полупроводник поменяет тип своей проводимости - инверсия. Образуется (индуцируется) канал, и в цепи стока потечёт ток.

Вывод: МОП – транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения.

2. Основой транзистора со встроенным каналом является кристалл кремния p- или n-типа проводимости.

Рисунок 2 - Структура транзистора со встроенным каналом

Для транзистора с n-типом проводимости:

Uзи = 0; Ic1;

Uзи > 0; Ic2 > Ic1;

Uзи < 0; Ic3 < Ic1;

Uзи << 0; Ic4 = 0.

Принцип действия.

Под действием электрического поля между стоком и истоком через канал будут протекать основные носители зарядов, т. е. будет существовать ток стока. При подаче на затвор положительного напряжения электроны как неосновные носители подложки будут притягиваться в канал. Канал обогатится носителями заряда, и ток стока увеличится.

При подаче на затвор отрицательного напряжения электроны из канала будут уходить в подложку, канал обеднится носителями зарядов, и ток стока уменьшится. При достаточно больших напряжениях на затворе все носители заряда могут из канала уходить в подложку, и ток стока станет равным нулю.

Вывод: МОП – транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения зарядов.

Основные отличия пт от бт:

1. ПТ имеют большее входное сопротивление (10⁶-10⁹ Ом в ПТ с управляющим р-п переходом за счет обратного U_ЗИ; 10¹³-10¹⁵ Ом в ПТ с изолированным затвором за счет очень большого сопротивления утечки диэлектрического слоя).

2. Ток течет не через р-п переходы, а вдоль них по каналу.

3. Ток создается носителями одного знака (только электронами или только дырками).

К достоинствам ПТ можно отнести:

1. Высокое входное сопротивление.

2. Малый уровень собственных шумов (т.к. в переносе тока участвуют заряды одного знака, то нет рекомбинационного шума).

3. Высокую устойчивость против температурных и радиоактивных воздействий.

4. Высокую плотность размещения элементов в ИМС.

3) Статические характеристики.

Польові транзистори з наведеним каналом

Основні ВАХ транзистора з наведеним каналом:

• Вихідні ВАХ

• Характеристика передачі струму

Вихідні ВАХ

Вихідна ВАХ – це залежність І_С від U_СВ при постійній напрузі на ізольованому затворі.

ВАХ діляться на 2 області:

1. Область, де ВАХ мають сублінійний характер – крута область. Сублінійність ВАХ залежить, як і у польових транзисторів з керуючим p-n-переходом, від опору каналу, тому що при збільшенні струму ширина каналу в області стоку зменшиться, і при напрузі насичення канал перекривається.

2. Лінійна область (робоча). Після досягнення струму насичення і перекриття каналу струм практично не зміниться, тому що величина опору вхідного і вихідного у транзистора як чотириполюсника на 3-5 порядків більше, ніж у польового транзистора з керуючим p-n-переходом, і досягає 10¹⁵-10¹⁶ Ом.

Характеристика передачі струму

Характеристикою передачі струму називають залежність стуму стоку І_С від напруги затвор стікU_ЗС при постійній напрузі між витоком і стоком. Всі характеристики починаються із однієї точки, якій відповідає U_З (U_пор.) , коли створюється канал.

Польовий транзистор з ізольованим затвором має великий коефіцієнт підсилення по струму і напрузі, а відповідно і по потужності, тому що на управління майже не витрачається потужність джерела вхідного сигналу

Польові транзистори з вбудованим каналом

Через наявність каналу між витоком і стоком керувати шириною каналу у таких польових транзисторів можна, як позитивною, так і негативною напругою на затворі. Тому такі транзистори працюють як в режимі збіднення, так і в режимі збагачення. Тому ВАХ польового транзистора будуть розташовані вверх і вниз від ВАХ при U_затв=0.

Вихідні ВАХ

Характеристика передачі струму

I_C

Контрольные вопросы:

1. Какой участок характеристики относится к сублинейному?

2. От чего зависит сублинейность характеристики?

3. Почему после перекрытия канала ток на выходных характеристиках практически не изменяется?

4. Что определяется по характеристикам передачи тока?

Литература:

Б. С. Гершунский. Основы электроники и микроэлектроники.- Киев : Вища школа, 1989, стр.111-116, 142-144.

Предварительный каскад усиления на транзисторе

Наиболее распространенная схема предварительного каскада усиления на транзисторе с ОЭ показана на рис. 96. Входной сигнал поступает от источника напряжения U_ВХ, имеющего внутреннее сопротивление R_i, (или от такого каскада усиления).

Разделительные конденсаторы С1 и С2 служат для независимого создания режимов по постоянному току в последовательно включенных каскадах усилителя и связи их между собой по переменному току усиливаемого сигнала. Резисторы R1 и R2 являются базовым делителем, обеспечивающим постоянное напряжение на эмиттерном переходе в рабочей точке U_БЭр.т. Резистор Rк предназначен для обеспечения режима по постоянному току в коллекторной цепи транзистора VT, а резистор Rэ — для эмиттерной стабилизации рабочей точки в диапазоне температур. Напряжение U_БЭр.т.= U_Б—U_RЭ.

Сопротивление конденсатора Сэ, служащего для шунтирования резистора Rэ по переменному току на нижней частоте f_н усиливаемого диапазона, должно быть значительно меньше сопротивления резистора Rэ. Так как с повышением частоты сопротивление конденсатора Сэ уменьшается, можно считать, что напряжение эмиттера постоянно.

Резистор R_ф и конденсатор С_ф являются элементами фильтра. Одновременно резистор R_ф служит для коллекторной стабилизации рабочей точки. Конденсатор С_ф образует цепь низкого сопротивления для переменной составляющей тока, потребляемого каскадом от источника E_K. Это необходимо для того, чтобы в общих для нескольких каскадов усилителя цепях источника E_K не было переменного тока, способного вызвать паразитные связи между ними по цепям питания.

При подаче входного сигнала U_ВХ во входных цепях каскада появляются токи I_R1, I_R2 и I_Б~, из которых полезной является только переменная составляющая тока базы I_Б~ Обычно токи I_R1 и I_R2 значительно меньше тока I_Б~, так как сопротивления резисторов R1 и R2 значительно больше входного сопротивления h_11Э транзистора и ими можно пренебречь. Приближенно I_Б~≈ U_ВХ / (R_i + h_11Э). Переменная составляющая коллекторного тока Iк~ = I_Б~ h_21Э = U_вх h_21Э /( R_i + h_11Э ) состоит из двух токов— бесполезного I_RK и полезного I_Н. Падение напряжения, создаваемое током Iк~ на параллельно включенных резисторах R_K и R_H,и будет усиленным выходным сигналом

U _ВЫХ = Iк~( R_K||R_H) = U_ВХ h_21Э (R_K || R_H ) /(R_i + h_11Э)

96. Схема предварительного каскада усиления на биполярном транзисторе

П о этому уравнению можно определить коэффициент усиления каскада по напряжению

K_U = U_ВЫХ/ U_ВХ= h_21Э(R_K || R_K)/(R_i + h_11Э)

Из временных диаграмм напряжений и токов (см. рис. 93, а, б) следует, что переменные составляющие напряжений на входе U_Б~ и выходе U_К~ = U_ВЫХ каскада противофазны, т.е. каскад усиления на транзисторе с ОЭ изменяет (инвертирует) фазу входного сигнала на противоположную.

93. Графическое представление работы коллекторной (а) и базовой (б) цепей усилительного каскада

Каскад усиления на полевом транзисторе

Полевые транзисторы широко применяют в предварительных каскадах усиления, особенно, когда необходимо высокое входное сопротивление.

Рассмотрим каскад усиления на полевом транзисторе с изолированным затвором и встроенным каналом n-типа (рис. 97,а). Рабочую точку каскада выбирают на семействе выходных характеристик (рис. 97, б) аналогично рабочей точке каскада на биполярном транзисторе. Разрешенная область выходных характеристик также ограничивается линиями максимально допустимых постоянного тока стока I_Cmax, напряжения сток—исток U_CИmax и постоянной рассеиваемой мощности Р_max.

Линия нагрузки графически соответствует уравнению выходной цепи каскада U_CИ =E_C - I_C (R_C + R_И) и пересекает оси I_C и U_CИ в точках I_C = E_C / (R_C + R_И) и E_C. Рабочая точка А (р. т) под действием сигнала U_вх не должна смещаться за пределы рабочего участка БВ линии нагрузки, так как в ином случае резко увеличатся нелинейные искажения. В режиме покоя рабочую точку выбирают как при отрицательном напряжении на затворе U_{зи рт} < 0 (в этом случае транзистор работает в режиме обеднения), так и при положительном (U_{зи рт} > 0 (в этом случае транзистор работает в режиме обогащения). Пусть напряжение U_{зи рт} составляет 0,2 В, т. е. транзистор работает в режиме обеднения. Это напряжение создается только на резисторе R_И , включенням в цепь истока (рис. 97, а), и резистор R1 в схеме не нужен, так как напряжение истока выше напряжения корпуса на U_RИ, а напряжения затвора и корпуса равны. Для перевода транзистора в режиме обогащения резистор R1 нужен. Сопротивление резисторов делителя R1 R2 выбирают такими, чтобы напряжение U_З на затворе было больше напряжения U_RИ на истоке. В этом случае U_зи >0.

При работе усилительного каскада входной сигнал U_вх, поступая на затвор транзистора VT через разделительный конденсатор С1, создает токи I_R1 и I_R2 в резисторах R1 и R1 делителя. При этом в цепи затвора тока нет, так как он отделен от канала слоем диэлектрика. Переменное напряжение управляет сечением канала и, следовательно, его сопротивлением. В результате в токе стока появляется переменная составляющая Iс-,часть которой I_Rс- проходит через стоковый резистор R_C, а остальная — через резистор нагрузки R_H и является током нагрузки I_н. При прохождении тока Iс- через параллельно включенные резисторы R_C и R_H на них образуется выходной усиленный сигнал U_ВЫХ = Iс~(R_C || R_H).

Достоинством каскада усиления на полевом транзисторе пo сравнению с каскадом на биполярном транзисторе является значительно более высокое входное сопротивление. Сопротивление резистора R2 обычно составляет 0,5—2 МОм, что на порядок больше максимально возможного сопротивления резистора R2 каскада на биополярном транзисторе (см. рис. 96). Кроме того, параметры полевых транзисторов в отличие от биполярных меньше зависят от температуры окружающей среды. Поэтому в каскаде на полевом транзисторе положение рабочей точки значительно стабильнее, хотя в схеме (см. рис. 97, а) имеется соответствующий резистор R_И. Полевые транзисторы сохраняют работоспособность при температуре, близкой к абсолютному нулю, тогда как биполярные при такой температуре не работают.

97. Схема предварительного каскада усиления на полевом транзисторе (а), графическое представление его работы (б)

7