УНИПОЛЯРНЫЕ (ПОЛЕВЫЕ) ТРАНЗИСТОРЫ

3. УНИПОЛЯРНЫЕ (ПОЛЕВЫЕ) ТРАНЗИСТОРЫ

3.1. Общие сведения

В полевых транзисторах в образовании тока участвуют носители зарядов одного знака (или дырки, или электроны). Основным способом движения носителей можно считать дрейфовый, так как процессы инжекции и диффузии практически отсутствуют. В основе работы полевых транзисторов лежит эффект поля. Металлический электрод, создающий эффект поля, называется затвором. Стоком называют электрод, на который поступают рабочие носители канала, а истоком, - от которого эти носители движутся (исток обычно соединяют с основной пластиной полупроводника - подложкой). Проводящий слой, по которому проходит рабочий ток, называется каналом. Каналы могут быть приповерхностными и объемными. В транзисторах с приповерхностным каналом затвор отделен от канала слоем диэлектрика (МДП или МОП-транзисторы), а при объемном канале - обедненным слоем, который создается с помощью электронно-дырочного p-n-перехода.

Сущность процессов, связанных с образованием канала в полевом транзисторе с управляемым электронно-дырочным p-n-переходом, при изменении напряжения на переходе можно схематично представить так, как это изображено на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Схематичное изображение образования канала

С целью увеличения глубины модуляции канала сплавной переход выполнен в виде кольца, охватывающего канал, в результате чего переход образует диафрагму, диаметр отверстия которого изменяется в такт с изменением напряжения на переходе. Диафрагма - это и есть канал у полевого транзистора (отсюда и появилось название у этого типа транзисторов - канальные).

Что общего у транзисторов с приповерхностным и объемным каналами?

1. Отсутствие инжекции и диффузии, а основной способ движения носителей - дрейф.

2. Управляющим электродом является затвор. Управление выходным током осуществляется с помощью поперечного электрического поля, то есть полевые транзисторы работают в режиме заданного напряжения на затворе. В принципе изменять ток стока можно с помощью и напряжения на стоке, но его влияние на ток гораздо слабее, чем затвора, поэтому командное место в управлении током принадлежит затвору.

3. Входная цепь полевых транзисторов не потребляет тока, так как управляющая цепь отделена от канала либо диэлектриком (у МОП-транзисторов), либо обратносмещенным p-n-переходом (у канальных).

4. За счет того, что входные цепи не потребляют токов, нагрузочная способность полевых транзисторов в ключевом режиме высокая: на один МОП-ключ можно нагрузить свыше 50 идентичных ключей.

5. Входное сопротивление у полевых транзисторов велико.

3.2. Принцип действия, статические ВАХ полевого транзистора с объемным каналом (с управляемым p-n-переходом)

На рис. 3.2 дана модель полевого транзистора с управляемым p-n- переходом. На границе раздела двух областей образовался p-n-переход, поле в области которого препятствует проникновению основных носителей - электронов из n-канала в p-область.

Рис. 3.2. Модель полевого транзистора с управляемым p-n-переходом

Электронно-дырочный p-n-переход находится в обратносмещенном состоянии, и в цепи затвора течет лишь ток неосновных носителей I_зо. В маломощных полевых транзисторах ток I_зо настолько мал, что им пренебрегают, но в мощных транзисторах и в диапазоне высоких частот влияние этого тока возрастает и с ним приходится считаться. Для кремниевых p-n-переходов обратный ток составляет менее 10^--11 А, и, таким образом, усиление мощности обеспечивается малой величиной входного тока.

Переход у полевого канального транзистора несимметричный, так как по мере приближения к стоку потенциал увеличивается и получается, что к верхней части перехода прикладывается большее напряжение. В схеме
рис. 3.2:

е_вх - генератор переменной ЭДС на входе .

R_c - сопротивление нагрузки в цепи стока;

Е_с - источник постоянного напряжения в цепи стока, создает ускоряющее поле, под действием которого носители направленно движутся от истока к стоку;

Е_см- источник смещения, создает поперечное электрическое поле, с помощью которого регулируется ширина запрещенной зоны p-n-перехода, т.е. изменяется поперечное сечение канала, и таким образом, регулируется ток стока (выходной ток); при U_зи = 0 сечение канала будет максимальным, ток стока и крутизна наибольшими, что хорошо просматривается на стокозатворных ВАХ транзистора (рис. 3.3). В зависимости от типа канала полярность напряжения на затворе меняется.

Рис. 3.3. Стокозатворные (передаточные) ВАХ транзисторов с разным типом каналов: а - для n-канала; б - для p-канала

Практическую ценность стокозатворной характеристики переоценить трудно: она позволяет выбрать режим транзистора по постоянному току, оценить усилительные свойства транзистора, выяснить характер и оценить уровень нелинейных искажений усиливаемого сигнала.

Анализ стокозатворных ВАХ полевого канального транзистора показывает, что такие транзисторы работают строго при одной полярности напряжения на затворе: если произойдет смена полярности напряжения на затворе, то p-n-переход приходит в прямосмещенное состояние, транзистор перестает быть униполярным, так как начнется инжекция неосновных носителей в канал. Кроме того, сопротивление входной цепи резко уменьшается, во входной цепи может потечь недопустимо большой ток, что приведет к гибели транзистора. Таким образом, полевой канальный транзистор работает только в режиме обеднения канала.

Напряжение на затворе, при котором перекрывается токопроводящий канал, называется напряжением отсечки U_отс. Если напряжение U_зи меньше U_отс и подано напряжение на участок сток-исток U_си, то через транзистор будет протекать ток.

Рассмотрим процесс получения статических стоковых (выходных) ВАХ канального транзистора.

С увеличением напряжения U_си растет обратное напряжение на участке сток-затвор, следовательно, ширина запрещенной зоны перехода будет увеличиваться в направлении от истока к стоку. Когда разность напряжений U_си - U_зи станет равной напряжению отсечки, прекращается прирост тока стока, несмотря на дальнейшее увеличение напряжения на стоке
(рис. 3.5). Такое состояние транзистора наступает в момент образования горловины канала, при этом ток стока называется током насыщения, а напряжение на участке сток-исток - напряжением насыщения . Это выражение является уравнением границы между крутой и пологой областями ВАХ.

Модуляцию поперечного сечения канала при увеличении напряжения на стоке и, как результат, образование горловины канала в транзисторе можно схематично представить рис. 3.4, а, б, в.

Рис. 3.4. Сечение канала транзистора с объемным каналом: а - ненасыщенный режим; б - на границе насыщения; в - насыщенный режим,

На рисунке: w - толщина канала; L - длина канала.

Напряжение насыщения U_син - это такое «критическое» напряжение, при котором окончательно формируется «горловина» канала и ток стока при увеличении Uси не меняется. Не следует путать понятия области насыщения биполярного и полевого транзисторов: эти понятия полностью противоположны, так как насыщение биполярного транзистора есть состояние с малым напряжением U_кэ, а область насыщения полевого транзистора - это область больших напряжений U_си, в которой транзистор дает весь ток стока, который только может дать при данном напряжении на затворе.

Увеличение напряжения на стоке вызывает прирост тока стока, но при этом увеличивается обратное напряжение на переходе участка затвор-сток, что вызывает уже более заметное сужение канала и существенное увеличение его сопротивления и, таким образом, ток, протекающий через канал, порождает условия, при которых происходит ограничение его возрастания. Механизм насыщения скорости дрейфа позволяет получить совпадение теории и эксперимента; дело в том, что почти все падение напряжения сосредоточено в самой узкой части канала (верхней его части - горловине). В результате в этой области напряженность поля получается очень высокой, подвижность носителей быстро падает, скорость их движения достигает насыщения и плотность тока через канал перестает зависеть от напряжения.

Рис. 3.5. Семейство стоковых ВАХ: Iс = f(Uси) при Uзи = const

Если на затвор подать более отрицательное напряжение (случай с n-каналом), то сечение канала уменьшается, сопротивление увеличится и начальный участок новой ВАХ будет иметь наклон, соответствующий большему значению сопротивления. Выход транзистора на криволинейный участок и в область насыщения произойдет раньше, то есть при меньших значениях напряжения на стоке (точки E; D; В при U_зи < 0).

На крутых участках ВАХ ток стока является функцией двух напря-
жений - на стоке и на затворе, а на пологих участках - функцией только напряжения на затворе. В усилительной технике полевые транзисторы (и канальные, и МОП) обычно работают на пологих участках ВАХ, поскольку этим участкам соответствуют наименьшие нелинейные искажения и оптимальные значения дифференциальных параметров - крутизны, внутреннего сопротивления и собственного коэффициента усиления. На стоковых ВАХ (рис. 3.5) пунктирной линией, соединяющей точки E, D, B, обозначена граница между пологими и крутыми участками ВАХ. Такое резкое разделение крутых и пологих участков ВАХ, разумеется, носит условный характер, но в инженерной практике позволяет пользоваться наиболее удобной аппроксимацией ВАХ, так как очень точные выражения ВАХ оказываются достаточно сложными (особенно для МОП-транзисторов).

Похожие работы

Преподавание социологической теории в Санкт-Петербургском государственном университете

Скачать

25366

1

0

кую и дидактическую функции с учетом ситуации в российской социологии. Направления фундаментального уровня различаются и систематизируются в концепции преподавания социологической теории на основе их существенной связи с различными решениями важнейших философских, теоретико-познавательных и мировоззренческих проблем, сформулированных в истории европейской социальной мысли относительно природы ...

Теория игр

Скачать

24554

3

7

... смешанными стратегиями игроков 1 и 2 называются такие наборы хо, уо соответственно, которые удовлетворяют равенству  Е (А, х, y) = Е (А, х, y) = Е (А, хо, уо). Величина Е (А, хо ,уо) называется при этом ценой игры и обозначается через u. Имеется и другое определение оптимальных смешанных стратегий: хо, уо называются оптимальными смешанными стратегиями соответственно игроков 1 и 2, если они ...

Теория вероятности и математическая статистика

Скачать

59066

6

49

... Доказать: По определению второй смешанной производной. Найдем по двумерной плотности одномерные плотности случайных величин X и Y. Т.к. полученное равенство верно для всех х, то подинтегральные выражение аналогично В математической теории вероятности вводится как базовая формула (1) ибо предлагается, что плотность вероятности как аналитическая функция может не существовать. Но т.к. в нашем ...

Роль теории дифференциальных уравнений в современной математике и ее приложениях

Скачать

32343

0

0

... была построена теория вложения функциональных пространств, которые в настоящее время носят название пространств Соболева. А.Н. Тихоновым была построена теория некорректных задач. Выдающийся вклад в современную теорию дифференциальных уравнений внесли российские математики Н.Н. Боголюбов, А.Н. Колмогоров, И.Г. Петровский, Л.С. Понтрягин, С.Л. Соболев, А.Н. Тихонов и другие. Влияние на развитие ...