Полевые транзисторы, принцип их работы

1. Полевые транзисторы, принцип их работы

Наряду с биполярными транзисторами нашли применение полевые транзисторы. В отличие от биполярного транзистора, где происходит токовое управление потоком рабочих носителей заряда, в полевом транзисторе управление потоком осуществляется электрическим полем, что и дало наименование прибору. Такие транзисторы также называются униполярными, поскольку в них рабочие носители заряда одного типа переносятся по каналу, формируемому в n или p полупроводнике. По способу формирования канала эти приборы подразделяются на транзисторы с p-n переходом, со встроенным каналом и индуцируемым каналом. Два последних типа относятся к МДП-транзисторам.

Преимуществом полевых транзисторов является весьма малый уровень мощности, который потребляется для управления потоком, поскольку ток входной цепи практически равен нулю. Однако эти транзисторы уступают биполярным по уровню выходной мощности.

Рисунок 1.13. Структура полевого транзистора

с p-n переходом

Структура транзистора с p-n переходом схематически представлена на рис. 1.13. На этом рисунке показано включение этого транзистора по схеме с общим истоком, аналогичной схеме ОЭ включения биполярного транзистора. Канал протекания рабочих носителей заряда (в рассматриваемом случае электронов), формируемый в полупроводнике n-типа, заключен между двумя p-n переходами. Канал с двух сторон снабжен двумя электродами: истоком, от которого рабочие носители заряда начинают движение, и стоком, где это движение заканчивается. Третий электрод, затвор, соединен с p-слоями. Между истоком и стоком приложено напряжение U, обеспечивающее перенос носителей заряда между этими электродами. Управляющим (входным) напряжением является U. На затвор подается “минус” относительно истока, что обусловливает пребывание p-n перехода в закрытом состоянии и, следовательно, малую величину тока в цепи затвора. При увеличении отрицательного значения напряжения U происходит увеличение ширины p-n перехода за счет уменьшения ширины n-канала (см. рис. 1.14,а), а, следовательно, увеличение его сопротивления. Таким образом, управление потоком рабочих носителей заряда в полевом транзисторе осуществляется за счет изменения сопротивления канала при изменении напряжения затвор-исток.

Рисунок 1.14. Сужение канала полевого транзистора

с p-n переходом при приложении напряжений: а - U, б - U

Напряжение U положительной полярности также изменяет ширину канала за счет изменения ширины p-n перехода. Однако, оно распределено по длине канала: потенциал стока относительно затвора выше, чем у истока, а поэтому ширина канала уменьшается по мере приближения к стоку, что иллюстрируется рис. 1.14,б. Очевидно, степень уменьшения ширины канала, а, следовательно, его сопротивление будет увеличиваться при увеличении напряжения U. Этим объясняется ход выходной, стоковой характеристики, приведенной на рис.1.15. При малых значениях напряжения U обусловленное этим напряжением уменьшение ширины канала не существенно, и ток стока I резко увеличивается с ростом U. При больших значениях напряжения U ток носителей заряда находится под влиянием двух противодействующих факторов. Первый фактор, который действует при малых напряжениях U, это увеличение скорости переноса носителей заряда от истока к стоку при увеличении напряжения сток – исток. Второй фактор – увеличение сопротивления канала, значимость которого возрастает при увеличении напряжения U. В результате действия обоих факторов величина тока стока лишь немного растет при увеличении напряжения U, в приборе устанавливается режим насыщения, ограничивающийся сверху пробивным напряжением. Режимы пробоя на рис. 1.15 (а также на рис. 1.17) не указаны. Увеличение отрицательного напряжения U увеличивает сопротивление канала, что обусловливает смещение вольтамперной характеристики в область малых значений тока I. При этом также уменьшается величина напряжения пробоя.

Рисунок 1.15. Стоковая характеристика полевого

транзистора с p-n переходом

Обычно для полевых транзисторов приводят лишь выходную характеристику и только в некоторых случаях следующую из нее передаточную характеристику: зависимости величины тока стока от напряжения U, построенные для ряда фиксированных значений напряжения Uси. Входные характеристики (зависимости I от U при фиксированном значении Uси) не имеют практического значения.

Наименование МДП-транзисторы (“металл – диэлектрик – проводник”) связано с конструктивными особенностями этих приборов. Они отражены на рис.1.16, на котором приведена схема конструкции транзистора с встроенным n-каналом. На поверхности подложки, которая выполнена из полупроводника типа p, создается канал n -типа с областями истока и стока. Полупроводник покрыт окисной пленкой, на которую наносится металлическая пленка, выполняющая функцию затвора. Таким образом, канал оказывается изолированным от затвора диэлектрической, окисной пленкой*/.

В общем случае МДП-транзистор имеет четыре электрода. Четвертый электрод соединен с подложкой. Схема включения такого транзистора показана на рис. 1.16.

Влияние напряжения сток-исток на величину сопротивления канала, а поэтому и на ход вольтамперной характеристики МДП-транзистора аналогичны соответствующим зависимостям в транзисторе с p-n переходом. Это схематически представлено на рис. 1.16 постепенным сужением канала при приближении к стоку. Управление потоком рабочих носителей заряда в канале осуществляется изменением напряжения U, которое может быть как положительным, так и отрицательным. При положительном напряжении электрическим полем из подложки в канал притягиваются дополнительные электроны, в результате чего ширина канала увеличивается, его сопротивление уменьшается, а ток стока – увеличивается. При отрицательном напряжении U, наоборот, происходит выталкивание электронов из канала в подложку, и тем самым увеличивается сопротивление канала, и уменьшается ток стока. Режим, соответствующий положительному напряжению затвор – исток, получил наименование обогащения, а соответствующий отрицательному напряжению – обеднения.

Рисунок 1.16. Структура МДП-транзистора

с встроенным n-каналом

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом специально канал не создается. Он формируется (индуцируется) на поверхности подложки при положительном напряжении затвор- исток, когда электрическое поле затвора вытягивает из подложки электроны, рабочие носители заряда. Эти заряды под действием напряжения U переносятся к стоку, обусловливая ток стока. Очевидно, в таком транзисторе возможен только режим обогащения. При нулевом напряжении U ток стока отсутствует.

Стоковые характеристики полевых транзисторов с встроенным и индуцированным каналами приведены на рис. 1.17. Их сравнение позволяет выявить отмеченные различия в принципах работы этих типов приборов.

Рисунок 1.17. Стоковые характеристики МДП-транзистора:

а – со встроенным каналом, б – с индуцированным каналом

Рисунок 1.18. Схемные обозначения полевых транзисторов:

1 - транзистор с p-n переходом: с n-каналом,

2 - транзистор с p-n переходом и с p-каналом,

3 - МДП-транзистор с встроенным n-каналом,

4 - МДП-транзистор с встроенным p- каналом,

5 - МДП-транзистор с индуцированным n-каналом,

6 - МДП-транзистор с индуцированным p- каналом

Принципы работы МДП-транзисторов были рассмотрены на примере приборов с n-каналом. Аналогичным образом функционируют и транзисторы с p-каналом, в которых рабочими носителями заряда являются дырки, а подложка выполнена из полупроводникового материала n-типа. В таких приборах направление токов и полярность напряжений будут противоположны тем, которые имеются у приборов с n-каналом.

Как видно из рис. 1.15 и 1.17, на стоковых характеристиках полевых транзисторов вне зависимости от их типа можно выделить две области: линейную и насыщения. В линейной области вплоть до перегиба эти характеристики представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения затвор-исток. В области насыщения ток стока практически не зависит от напряжения сток-исток. Именно эта область на стоковых характеристиках является рабочей при использовании полевых транзисторов в усилительных схемах.

На рис. 1.18 приведены схемные обозначения полевых транзисторов всех трех видов как с n-, так и с p-каналами.

2. Параметры полевых транзисторов

Основными параметрами, характеризующими полевой транзистор, как усилительный прибор, являются:

- коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение изменение напряжения сток – исток к вызвавшему его изменению напряжения затвор – исток при постоянном значении тока стока:

Кu =,

- крутизна (передаточной характеристики) определяется как отношение изменения тока стока к вызывающему его изменению напряжения затвор – исток при постоянном значении напряжения сток – исток:

S = ,

- дифференциальное выходное (внутреннее ri) сопротивление определяется как отношение изменения напряжения сток – исток к соответствующему изменению тока затвора при постоянном значении напряжения затвор – исток:

rвых = ri = .

Величины этих параметров связаны соотношением Кu = S ri.

Крутизна передаточной характеристики показывает степень влияния входного напряжения на выходной ток, т.е. эффективность управления, и ее величина находится в пределах 1 – 5 mA/В. Величина выходного сопротивления прибора, режим работы которого соответствует пологому участку стоковой характеристики, весьма велика и составляет сотни килоОм. В связи с незначительной величиной тока затвора входное сопротивление полевых транзисторов очень велико (108 – 109 Ом).

Рисунок 1.18. Схема замещения полевого транзистора

с индуцированным затвором

Входное и выходное сопротивления полевых транзисторов, в отличие от биполярных, имеют существенную емкостную компоненту. Это учитывается схемой замещения для переменных составляющих токов и напряжений. Наиболее распространенная схема замещения полевого транзистора с изолированным затвором приведена на рис. 1.18, в которой отражено наличие трех межэлектронных емкостей: Сзи – затвор – исток, Сси – сток – исток, Сзс – затвор – сток. Первые две обусловлены, в основном, барьерной емкостью закрытого p-n- перехода, примыкающего как к истоку, так и к стоку. Поэтому их величины, составляющие 10 – 40 пФ, в три – пять раз превышают величину емкости сток – исток. Наличие в схеме источника тока Suвх отражает зависимость выходного тока от входного напряжения. Зависимость выходного тока от напряжения сток – исток учитывается сопротивлением ri.

*/ Поэтому МДП-транзисторы также называются МОП-транзисторами (металл-окисел-полупроводник).

Полевые транзисторы, принцип их работы