Полевые транзисторы И пзс

1. Полевые транзисторы с управляющим р-п переходом.

Полевыми называют транзисторы с управляемым каналом для тока основных носителей заряда (с n- и p- каналом представлены на рис.1). Эти транзисторы называются униполярными, т.к. в них ток переносится за счет дрейфа лишь основных носителей. ПТ делят на транзисторы с затвором в виде управляющего р-n перехода или барьера Шотки и транзисторы с изолированным затвором (МОП или МДП транзисторы). Рассмотрим транзисторы с затвором в виде управляющего р-n-перехода предложенным в 1952г. Вильямом Шокли и названным унитроном.

Рис.1

В кристалле n-типа формируются области р-типа, которые образуют р-n-переходы. В центральной части кристалла под р-n переходами образуется канал, размеры которого можно изменять величиной потенциала на управлющем электроде – затворе (З), к торцам пластины припаяны омические контакты. Один из этих электродов называется истоком (И), а другой – стоком (С). Между истоком и стоком приложено напряжение Ес. Прибор управляется обратным напряжением, приложенным к р-n-переходу.

(Следует отметить, что такая структура (с двумя переходами) в настоящее время не используется, так как ее трудно реализовать на практике. Однако она удобна для анализа, причем результаты анализа легко применить к современным типам приборов с одним переходом.)

Конструкции полевых транзисторов разрабатываются с наименьшим возможным поперечным сечением канала (см.рис.2,б), чтобы получить более сильную модуляцию. Для этого затвор выполняют в виде кольца. Кроме того, для увеличения глубины модуляции площади поперечного сечения канала и его сопротивления исходный полупроводниковый материал должен обладать малой концентрацией примеси (при этом обратное смещение на переходе будет вызывать значительное расширение р-n-перехода в сторону канала, как в высокоомную область).

а б

Рис.2

С увеличением обратного напряжения на затворе ширина р-n-переходов увеличивается, сечение канала уменьшается, а, следовательно, уменьшается и ток Iс.

При большом отрицательном смещении Uзо р-n-переходы перекрывают канал и транзистор будет «запираться».

Понятно, что, меняя напряжение на затворе Uзи в пределах до Uзо, можно изменять сопротивление канала Rк при этом будет происходить управление током стока Iс, который определяется как

где rи, rс – сопротивление объема полупроводника, прилегающего к истоку и стоку. Можно показать, что величина Rк будет определяться через значения ширины канала , удельное сопротивление n, толщина обедненного слоя

Рассмотрим основные характеристики ПТ стоко затворную и стоковую (выходную).

Вдоль канала происходит падение напряжения, обусловленное прохождением тока между истоком и стоком. В результате разность потенциалов между р- и n- областями полупроводникового кристалла в разных точках р-n-перехода вдоль канала различна. Поэтому канал по мере приближения к стоку сужается (рис.2) последовательно принимая положение 1, 2,3 с ростом Uзи либо Uси.

В наиболее узком месте (около стока) напряжение на переходе равно Uз + Uс. С ростом Uc это напряжение, в конце концов, делается равным напряжению отсечки Uзо и переходы почти смываются (случай 3). Однако это не приводит к отсечке тока при Uзи > Uзо, так как само «смыкание» является следствием увеличения тока. Вместо отсечки тока происходит отсечка его приращений, т.е. резкое возрастание дифференциального сопротивления канала (насыщение ВАХ). При этом на кривой Ic = f(Uc), начиная с некоторой точки Н, получается практически горизонтальный участок (рис.3).

Такой режим, по аналогии с вакуумными приборами, можно назвать насыщением, а напряжение Uсн, при котором он наступает – напряжением насыщения.

Несложно показать, что с ростом , величина Uсн уменьшается (т.к. Uсн= Uзо Uз). Причем в этом режиме ширина канала вблизи стока становится порядка длины Дебая.

В режиме насыщения, когда Uс > Uсн, потенциал «горловины» канала сохраняет значение Uси (в противном случае канал должен был бы еще больше сужаться, что невозможно), но «горловина» становится более протяженной и сдвигается в сторону истока.

Рис.3

При достижении режима насыщения рост Uзи приводит к экспоненциальному уменьшению концентрации носителей в канале и одновременно к увеличению скорости носителей до тех пор, пока скорость оставшихся носителей не достигнет дрейфовой скорости насыщения vs (см. диод Ганна, т.к. ток определяется j=env, а n снижается с ростом v, то j = const).

Разность потенциалов Uс Uсн падает на участке между стоком и «началом горловины» со стороны истока, а протяженность этого участка определяется как

Таким образом, в режиме насыщения происходит модуляция длины канала (по аналогии с эффектом Эрли в биполярных транзисторах – зависимость (Uк)).

Аналитическое выражение для ВАХ полевого транзистора (рис.2) (начальные участки выходных характеристик близки к линейным) на крутом участке (область нарастания тока)

на пологом участке (область насыщения) или в активной области

где Rк мин – сопротивление канала при Uзи=0.

Область насыщения является основной рабочей областью, т.к. ток стока эффективно управляется напряжением на затворе Uз и не зависит от Uс. По этой причине в качестве характеристики передачи рассматривают обычно зависимость тока насыщения от напряжения на затворе Iсн = f(Uзи) при Uсн = const, которая имеет вид рис.4,а.

а б

Рис.4

Семейство статических характеристик передачи при различных значениях Uс имеет вид рис.4,б.

В случае р-канала входные и выходные ВАХ ПТ принимают соответственно вид рис.5

Рис.5

На основании принципа действия можно составить эквивалентную схему полевого транзистора для низких частот.

Она будет состоять из объемных сопротивлений кристалла полупроводника стока rс и истока rи, величины которых будут определяться конструкцией и технологией прибора. Большого по величине дифференциального сопротивления канала Rк общего для входной и выходной цепей сопротивления истока rи, которое играет роль сопротивления внутренней обратной связи в транзисторе, включенном по схеме с общим истоком. Емкостей Сзи, Сзс и сопротивления rзи, rзс, которые замещают в эквивалентной схеме р-n-переход с его барьерной емкостью и большим активным дифференциальным сопротивлением при обратном смещении. Генераторы тока, включенного параллельно сопротивлению канала, отражающего усилительные свойства транзистора рис.6.

Рис.6

Необходимо отметить, что эта схема не учитывает реально распределенного характера отдельных параметров, однако для низких частот она дает достаточно полное представление о функционировании прибора и временном влиянии параметров. Учитывая, что емкость и сопротивление затвора распределены по всей площади, так же как и сопротивление канала, можно представить эквивалентную схему полевого транзистора в виде рис.7.

Рис.7

Кроме физических эквивалентных схем можно представить ПТ и формальными эквивалентными схемами на основе описания транзистора с помощью уравнений четырехполюсника с Y, Z или Н параметрами как это выполнено для БТ. При этом считая малыми объемные сопротивления полупроводника rс, rи (они равны 10 20 Ом, что на 3 5 порядков меньше rзи, rзс) и пренебрегая проводимостями запертого р-n-перехода (мегомы) получаем:

Как и в биполярных транзисторах, значения малосигнальных параметров (Y11 – входная проводимость при кз на выходе; Y12 – проводимость обратной связи при кз на входе; Y21 – проводиморсть прямой передачи при кз на выходе; Y22 – выходная проводимость при кз на входе) зависят от величины питающих прибор напряжений, но позволяют определять свойства таких приборов в значительном частотном диапазоне.

Как мы уже отмечали, принцип действия полевого транзистора не связан с инжекцией неосновных носителей обладающих «низкими» скоростями, это прибор без инжекции. Здесь частотные свойства в отличие от биполярных транзисторов, обусловлены исключительно инерционностью, процессов заряда и разряда барьерных емкостей затвора Сзи,с через распределенные сопротивления Rк, объемные сопротивления кристалла полупроводника rи, rс и rзи, rзс. По этой причине и сечение канала изменяется не мгновенно, а с какой-то постоянной времени.

На НЧ входное сопротивление определяется величиной rзи, которое с ростом частоты шунтируется емкостью Сзи, и требует при этом для управления значительно большой мощностью входного сигнала.

Оказывает существенное влияние и проходная емкость Сзс – создающая частотно-зависимую обратную связь. При этом с ростом частоты возрастает обратная связь через цепь rс Сзо, что эквивалентно снижению полного входного сопротивления полевого транзистора, а следовательно, и уменьшению усиления.

Основными параметрами ПТ следует считать:

Крутизну характеристики (определяет усилительные свойства)

Выходное или внутреннее сопротивление

Входное сопротивление

Напряжение отсечки (Uзи >Uзо) и насыщения Uси нас= Uсн.
Входная и проходная емкости Сзи, Сзс (n 1пФ).
Предельная рабочая частота fs (частота на которой крутизна ).
Коэффициент шума ( 2 дБ на f = 1 кГц).
Допустимая мощность рассеяния (до 5 Вт при fs=500 МГц).

Основными причинами шума в ПТ являются тепловой шум в канале и индуцированный шум у затвора. Первый из них представляет собой обычный тепловой шум сопротивления проводящей части канала, а второй является следствием первого, поскольку лубая флуктуация потенциала канала вызывает флуктуацию напряжения затвора. Следует отметить, что ПТ с каналом р-типа имеет худшие частотные свойства и большие шумы.

ПТ принципиально отличается от биполярных тем, что управляются электрическим полем, а не зарядом, поступающим в базу под действием входного тока. Достоинства ПТ: - большое входное сопротивление; - большая эффективность управления, т.к. обратно смещенный переход затвора не потребляет энергии; - лучшие частотные характеристики, т.к. перенос носителей определяется проводимостью, а не диффузией.

Полевые транзисторы И пзс

2. МДП- транзисторы