Чем определяется толщина канала в полевом транзисторе с управляющим p n переходом

Полевые транзисторы с

Основным элементом любого полевого транзистора является полупроводниковый канал, по которому протекает электрический ток. Как и в любом другом проводнике, его сопротивление зависит от длины, удельного сопротивления материала и площади сечения канала. Удельное сопротивление канала в полевых транзисторах обычно делается достаточно большим.

Принцип работы полевого транзистора с

Площадь сечения канала в полевом транзисторе может изменяться напряжением, подаваемым на его затвор. Для этого канал должен быть очень тонким. Именно так управляется ток, который проходит через полевой транзистор. Упрощенная конструкция полевого транзистора с и подключение источников питания в рабочем режиме приведены на рисунке 1.

Рисунок 1. Упрощенная конструкция полевого транзистора с и подключение источников питания

На исток и сток канала полевого транзистора в этой схеме подается напряжение U_си. На затвор подается запирающее напряжение. Для транзистора в рабочем режиме к стоку подключается положительный потенциал источника питания U_си, а на затвор — отрицательное напряжение.

Из-за того, что сопротивление полупроводника в канале достаточно большое, запирающий слой в основном образуется именно в канале транзистора. Более того! Из-за падения напряжения на канале напряжение вдоль затвора изменяется. Чем ближе к стоку, тем больше будет напряжение, чем ближе к истоку, тем меньше. И, соответственно, чем ближе к стоку, тем шире будет запирающий слой и тем меньше будет сечение канала.

Статические характеристики полевых транзисторов с

Типовая зависимость тока стока полевого транзистора от запирающего напряжения на затворе приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Сток-затворная характеристика полевого транзистора с

Сток-истоковая характеристика, которую ещё называют характеристикой прямой передачи транзистора, для большинства полевых транзисторов достаточно хорошо описывается следующим квадратичным выражением:

Основным параметром полевого транзистора, используемым при расчете усилительного каскада или другого узла телекоммуникационной аппаратуры, является статическая крутизна характеристики прямой передачи. Она определяется по сток-затворной характеристике транзистора как отношение изменения тока стока к изменению напряжения затвор-исток:

В качестве примера реальной характеристики прямой передачи полевого транзистора на рисунке 3 приведем сток-затворную характеристику транзистора КП302.

Рисунок 3. Характеристика прямой передачи транзистора 2П302

Очень важной характеристикой усилительных электронных приборов является независимость их характеристик от напряжения источника питания. Обычно это достигается высоким выходным сопротивлением электронного прибора (электровакуумной лампы, биполярного или полевого транзистора). В полевых транзисторах высокое выходное сопротивление достигается за счёт присущей им внутренней отрицательной обратной связи в канале.

Для иллюстрации принципа работы внутренней обратной связи в канале полевого транзистора снова обратимся к рисунку 1. Мы уже упоминали, что за счёт высокого сопротивления полупроводника в канале полевого транзистора на нём возникает падение напряжения. При увеличении напряжения на стоке полевого транзистора, увеличивается падение напряжения, возрастает толщина запирающего слоя. Это приводит к уменьшению площади сечения канала и в конечном итоге уменьшению тока стока. В результате действия этого механизма ток стока при увеличении напряжения на стоке почти не растёт. Это признак большого выходного сопротивления, как в генераторе тока.

Выходное сопротивление обычно определяется по выходным характеристикам транзистора. Типовые выходные характеристики полевого транзистора приведены на рисунке 4.

Рисунок 4. Выходные характеристики полевого транзистора с

На рисунке 5 приведены выходные характеристики реального полевого транзистора с 2П302.

Рисунок 5. Выходные характеристики полевого транзистора с

На них отчетливо видно, что наклон выходных характеристик зависит от напряжения на затворе. Соответственно меняется и выходное сопротивление транзистора.

Температурные свойства полевых транзисторов с

Характеристики полевых транзисторов, точно так же, как и биполярных транзисторов зависят от температуры. На рисунке 6 приведено изменение характеристики прямой передачи полевого транзистора с в зависимости от температуры.

Рисунок 6. Зависимость характеристики прямой передачи полевого транзистора от температуры

Температурная зависимость тока истока определяется двумя факторами: это увеличение собственной проводимости полупроводника, и изменение подвижности основных носителей заряда в канале транзистора. Увеличение собственной проводимости полупроводника приводит к увеличению входного тока транзистора, и, как следствие, уменьшение его входного сопротивления R_вх. Одновременно увеличение температуры приводит к уменьшению основного параметра полевого транзистора — крутизны S.

У кремниевых полевых транзисторов с при комнатной температуре 20°C ток затвора обычно составляет 1 мкА. При увеличении температуры на каждые 10°С входной ток удваивается.

Точно такой же характер изменения графиков сток-затворных характеристик от температуры наблюдается и в полевых транзисторах. Характеристики прямой передачи отечественного полевого транзистора КП102 при различных температурах приведены на рисунке 7.

Рисунок 7. Зависимость характеристики прямой передачи полевого транзистора от температуры

Если внимательно рассмотреть характеристики прямой передачи полевого транзистора, приведённые на рисунках 6 и 7, то можно обнаружить термостабильную точку. В этой точке ток стока полевого транзистора практически постоянен при различных температурах.

Первый фактор влияет на большие токи стока, а второй — на малые. Эти два противоположных процесса при определенном напряжении на затворе взаимно компенсируются, что позволяет строить схемы устройств на полевых транзисторах с независимыми от температуры параметрами.

Основные параметры полевых транзисторов с

Как уже упоминалось ранее, основным параметром полевого транзистора, используемым при расчете узлов телекоммуникационной аппаратуры, является статическая крутизна характеристики прямой передачи S. Она указывается непосредственно в справочных параметрах на транзистор [10]. Статические характеристики в современных справочниках обычно не приводятся.

В качестве основного параметра обычно приводится сопротивление полностью открытого транзистора. Дифференциальное выходное сопротивление в справочных параметрах обычно не приводится, так как оно значительно превышает сопротивление нагрузки и в расчётах им можно пренебречь.

Рисунок 8. Планарная конструкция полевого транзистора с

Принцип работы полевых транзисторов с очень хорошо показан в следующем видео:

Видео 1. Полевые транзисторы с

Малые размеры экрана сделаны, чтобы видео было доступно на смартфонах. Размер видео всегда можно увеличить управляющими кнопками.

Дата последнего обновления файла 21.07.2020

Понравился материал? Поделись с друзьями!

Вместе со статьей «Полевые транзисторы с » читают:

Источник

Полевые транзисторы. For dummies

Введение

Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, обычно с тремя выводами, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля. (electrono.ru)

Определение не только подтвердило наши предположения, но и продемонстрировало особенность полевых транзисторов — управление выходным током происходит посредством изменения приложенного электрического поля, т.е. напряжения. А вот у биполярных транзисторов, как мы помним, выходным током управляет входной ток базы.

Еще один факт о полевых транзисторах можно узнать, обратив внимание на их другое название — униполярные. Это значит, что в процессе протекания тока у них участвует только один вид носителей заряда (или электроны, или дырки).

Три контакта полевых транзисторов называются исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители). Структура кажется простой и очень похожей на устройство биполярного транзистора. Но реализовать ее можно как минимум двумя способами. Поэтому различают полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.

Вообще, идея последних появилась еще в 20-х годах XX века, задолго до изобретения биполярных транзисторов. Но уровень технологии позволили реализовать ее лишь в 1960 году. В 50-х же был сначала теоретически описан, а затем получил воплощение полевой транзистор с управляющим p-n переходом. И, как и их биполярные «собратья», полевые транзисторы до сих пор играют в электронике огромную роль.

Перед тем, как перейти к рассказу о физике работы униполярных транзисторов, хочу напомнить ссылки, по которым можно освежить свои знания о p-n переходе: раз и два.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

Итак, как же устроен первый тип полевых транзисторов? В основе устройства лежит пластинка из полупроводника с проводимостью (например) p-типа. На противополжных концах она имеет электроды, подав напряжение на которые мы получим ток от истока к стоку. Сверху на этой пластинке есть область с противоположным типом проводимости, к которой подключен третий электрод — затвор. Естественно, что между затвором и p-областью под ним (каналом) возникает p-n переход. А поскольку n-слой значительно уже канала, то большая часть обедненной подвижными носителями заряда области перехода будет приходиться на p-слой. Соответственно, если мы подадим на переход напряжение обратного смещения, то, закрываясь, он значительно увеличит сопротивление канала и уменьшит ток между истоком и стоком. Таким образом, происходит регулирование выходного тока транзистора с помощью напряжения (электрического поля) затвора.

Можно провести следующую аналогию: p-n переход — это плотина, перекрывающая поток носителей заряда от истока к стоку. Увеличивая или уменьшая на нем обратное напряжение, мы открываем/закрываем на ней шлюзы, регулируя «подачу воды» (выходной ток).

Итак, в рабочем режиме полевого транзистора с управляющим p-n переходом напряжение на затворе должно быть либо нулевым (канал открыт полностью), либо обратным.
Если величина обратного напряжения станет настолько большой, что запирающий слой закроет канал, то транзистор перейдет в режим отсечки.

Даже при нулевом напряжении на затворе, между затвором и стоком существует обратное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к области стока.

Само собой разумеется, что можно сделать транзистор с каналом n-типа и затвором p-типа. Сущность его работы при этом не изменится.

Условные графические изображения полевых транзисторов приведены на рисунке (а — с каналом p-типа, б — с каналом n-типа). Стрелка здесь указывает направление от p-слоя к n-слою.

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Выходной (стоковой) называется зависимость тока стока от напряжения исток-сток при константном напряжении затвор-исток. На рисунке — график слева.

На графике можно четко выделить три зоны. Первая из них — зона резкого возрастания тока стока. Это так называемая «омическая» область. Канал «исток-сток» ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется напряжением на затворе транзистора.

Вторая зона — область насыщения. Она имеет почти линейный вид. Здесь происходит перекрытие канала в области стока, которое увеличивается при дальнейшем росте напряжения исток-сток. Соответственно, растет и сопротивление канала, а стоковый ток меняется очень слабо (закон Ома, однако). Именно этот участок характеристики используют в усилительной технике, поскольку здесь наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. К таким параметрам относятся крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления. Значения всех этих непонятных словосочетаний будут раскрыты ниже.

Третья зона графика — область пробоя, чье название говорит само за себя.

С правой стороны рисунка показан график еще одной важной зависимости — стоко-затворной характеристики. Она показывает то, как зависит ток стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении между истоком и стоком. И именно ее крутизна является одним из основных параметров полевого транзистора.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Такие транзисторы также часто называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- или МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторами (англ. metall-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET). У таких устройств затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика. Физической основой их работы является эффект изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.
Устройство транзисторов такого вида следующее. Есть подложка из полупроводника с p-проводимостью, в которой сделаны две сильно легированные области с n-проводимостью (исток и сток). Между ними пролегает узкая приповерхностнаяя перемычка, проводимость которой также n-типа. Над ней на поверхности пластины имеется тонкий слой диэлектрика (чаще всего из диоксида кремния — отсюда, кстати, аббревиатура МОП). А уже на этом слое и расположен затвор — тонкая металлическая пленка. Сам кристалл обычно соединен с истоком, хотя бывает, что его подключают и отдельно.

Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток. Почему не через кристалл? Потому что один из p-n переходов будет закрыт.

А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения.
Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения. При этом сопротивление канала будет падать, а ток через него расти.

Рассмотренная выше конструкция транзистора с изолированным затвором похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом тем, что даже при нулевом токе на затворе при ненулевом напряжении исток-сток между ними существует так называемый начальный ток стока. В обоих случаях это происходит из-за того, что канал для этого тока встроен в конструкцию транзистора. Т.е., строго говоря, только что мы рассматривали такой подтип МДП-транзисторов, как транзисторы с встроенным каналом.

Однако, есть еще одна разновидность полевых транзисторов с изолированным затвором — транзистор с индуцированным (инверсным) каналом. Из названия уже понятно его отличие от предыдущего — у него канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.

Итак, мы подаем напряжение только на исток и сток. Ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт.
Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора. И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая инверсия типа проводимости. Т.е. концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа. Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе.
Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения.

Условные обозначения транзисторов с изолированным затвором следующие:

Здесь
а − со встроенным каналом n- типа;
б − со встроенным каналом р- типа;
в − с выводом от подложки;
г − с индуцированным каналом n- типа;
д − с индуцированным каналом р- типа;
е − с выводом от подложки.

Статические характеристики МДП-транзисторов

Те же характеристики для транзистора с идуцированным каналом:

Экзотические МДП-структуры

Чтобы не запутывать изложение, хочу просто посоветовать ссылки, по которым о них можно почитать. В первую очередь, это всеми любимая википедия, раздел «МДП-структуры специального назначения». А здесь теория и формулы: учебное пособие по твердотельной электронике, глава 6, подглавы 6.12-6.15. Почитайте, это интересно!

Общие параметры полевых транзисторов

Схемы включения

Как и биполярный, полевой транзистор можно рассматривать как четырехполюсник, у которого два из четырех контактов совпадают. Таким образом, можно выделить три вида схем включения: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком. По характеристикам они очень похожи на схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором для биполярных транзисторов.
Чаще всего применяется схема с общим истоком (а), как дающая большее усиление по току и мощности.
Схема с общим затвором (б) усиления тока почти не дает и имеет маленькое входное сопротивление. Из-за этого такая схема включения имеет ограниченное практическое применение.
Схему с общим стоком (в) также называют истоковым повторителем. Ее коэффициент усиления по напряжению близок к единице, входное сопротивление велико, а выходное мало.

Отличия полевых транзисторов от биполярных. Области применения

Где применяются полевые транзисторы? Да практически везде. Цифровые и аналоговые интегральные схемы, следящие и логические устройства, энергосберегающие схемы, флеш-память… Да что там, даже кварцевые часы и пульт управления телевизором работают на полевых транзисторах. Они повсюду, %хабраюзер%. Но теперь ты знаешь, как они работают!

Источник

Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

Схематически полевой транзистор с управляющим p-n переходом можно представить в виде пластины, к торцам которой подключены электроды, исток и сток. На рис. показана структура и схема включения полевого транзистора с каналом n-типа:

В транзисторе с n-каналом основными носителями заряда в канале являются электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока I_c. Между затвором и истоком приложено напряжение, запирающее p-n переход, образованный n-областью канала и p-областью затвора.

При подаче запирающего напряжения на p-n-переход U_зи на границах канала возникает равномерный слой, обедненный носителями заряда и обладающий высоким удельным сопротивлением. Это приводит к уменьшению проводящей ширины канала.

Изменяя величину этого напряжения, можно изменить сечение канала и, следовательно, изменять величину электрического сопротивления канала. Для полевого n-канального транзистора потенциал стока положителен по отношению к потенциалу истока. При заземленном затворе от стока к истоку протекает ток. Поэтому для прекращения тока на затвор нужно подать обратное напряжение в несколько вольт.

Значение напряжения U_зи, при котором ток через канал становится практически равен нулю, называется напряжением отсечки U_зап

Таким образом, полевой транзистор с затвором в виде p-n-перехода представляет собой сопротивление, величина которого регулируется внешним напряжением.

Полевой транзистор характеризуется следующей ВАХ:

Полевые транзисторы с изолированным затвором
(МДП-транзисторы)

Термин «МДП-транзистор» используется для обозначения полевых транзисторов, в которых управляющий электрод – затвор – отделен от активной области полевого транзистора диэлектрической прослойкой – изолятором. Основным элементом для этих транзисторов является структура металл-диэлектрик-полупроводник (М-Д-П).

Технология МДП-транзистора с встроенным затвором приведена на рисунке:

Исходный полупроводник, на котором изготовлен МДП-транзистор, называется подложкой (вывод П). Две сильнолегированные области n + называется истоком (И) и стоком (С). Область подложки под затвором (З) называется встроенным каналом (n-канал).

Физической основой работы полевого транзистора со структурой металл-диэлектрик-полупроводник является эффект поля. Эффект поля состоит в том, что под действием внешнего электрического поля изменяется концентрация свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника. В полевых приборах со структурой МДП внешнее поле обусловлено приложенным напряжением на металлический электрод-затвор. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения могут быть два состояния области пространственного заряда (ОПЗ) в канале – обогащение, обеднение.

Режиму обеднения соответствует отрицательное напряжение U_зи, при котором концентрация электронов в канале уменьшается, что приводит к уменьшению тока стока. Режиму обогащения соответствует положительное напряжение U_зи и увеличение тока стока.

ВАХ представлена на рисунке:

Топология МДП-транзистора с индуцированным (наведенным) каналом р-типа приведена на рисунке:

При U_зи = 0 канал отсутствует и I_c = 0. Транзистор может работать только в режиме обогащения U_зи 13 …10 15 Ом.

К основным параметрам полевых транзисторов относятся:

· Крутизна характеристики при U_сп = const, U_пи = const. Типичные значения параметра (0,1. 500) мА/В;

· Крутизна характеристики по подложке при U_сп = const, U_зи = const. Типичные значения параметра (0.1. 1) мА/В;

· Начальный ток стока I_с.нач. – ток стока при нулевом значении напряжения U_зи. Типичные значения параметра: (0,2. 600) мА – для транзисторов с управляющим каналом p-n переходом; (0,1. 100) мА – для транзисторов со встроенным каналом; (0,01. 0,5) мкА – для транзисторов с индуцированным каналом;

· Напряжение отсечки U_зи.отс.. Типичные значения (0,2. 10) В; пороговое напряжение U_п. Типичные значения (1. 6) В;

· Сопротивление сток-исток в открытом состоянии. Типичные значения (2..300) Ом

· Дифференциальное сопротивление (внутреннее): при U_зи = const;

· Статистический коэффициент усиления: μ = S · r_i

Источник