4.Полевые транзисторы- это полупроводниковые приборы , у которых для управления током используется зависимость электрического сопротивления токопроводящего слоя (канала) от напряжённости поперечного электрического поля. Каналом служит тонкий слой однородного полупроводника n-типа или p-типа. Внешние выводы от начала канала и до его конца называются истоком и стоком. Управляющий электрод - затвор - располагается над каналом и электрически изолирован от него. Изменение потенциала затвора приводит к изменению толщины канала , т.е. его проводимости. Для изоляции затвора от канала используют : обратно смещенный p-n переход (транзисторы с p-n-затвором), диэлектрик (двуокись кремния SiO2) - транзисторы с изолированным затвором , или МДП-транзисторы (МОП).Тонкий слой полупроводника , который служит каналом (доли мм) , располагают на подложке - более толстой пластине полупроводника противоположного типа проводимости. Для электрической изоляции канала от подложки p-n-переход между ними должен быть смещен также обратно.Транзисторы с управляющим p-n-переходом. и з сn+ P+ n+ wnp+-подложкаl Рассмотрим устройство транзистора с n-каналом. Тонкий слой слаболегированного n-полупроводника наносится на сильнолегированную подложку p-типа. Над поверхностью канала имеется сильно легированная p-область , которая служит затвором . Для хорошего контакта с выводами стока и истока концы n-канала тоже сильно легированы . P-n - переходы между затвором и каналом должны быть смещены в обратном направлении . Для этого на затворе должно быть отрицательное напряжение , а на канале - положительное относительно подложки . В транзисторе с p-каналом затвор и подложка должны иметь n-электропроводность и полярности напряжений противоположны . Обычно напряжения на затвор и сток подают относительно истока , с которым соединяют и подложку.n-канал p-канал Ic Ic - -+ Uси +Uси - + + Uзи -UзиВлияние напряжения на затворе на сопротивление канала.Обратное напряжение между затвором и каналом расширяет p-n-переход и за счет этого уменьшается толщина канала. При Uси =0 во всех точках канала Толщина перехода изменяется в основном за счет слабо легированной области канала ; w0 - начальная толщина. При некотором напряжении Uзи.отс канал полностью перекрывается w=0 : При нулевом напряжении Uзи=0 сопротивление канала мало :.Ом , а при Uзи® Uзи.отс Rcи.откр®µ^ Влияние напряжения стока.Если на канале есть напряжение Ucи , то разность потенциалов между затвором и каналом в каждой его точке различна : у истока она равна Uзи , а у стока равна сумме | Uзи | + | Uси | . Поэтому толщина канала в области стока меньше, чем в области истока. При некотором напряжении Uси = Uси.нас , когда сумма |Uзи| + | Uси.нас | = |Uзи.отс| , происходит перекрытие канала возле стока :Uси.нас = | Uзи.отс -Uзи |При дальнейшем увеличении Uси участок перекрытия канала расширяется и его сопротивление возрастает.Под действием приложенного напряжения Uси. в канале появляется ток за счет движения основных носителей. Через обедненный участок перекрытия перенос носителей происходит за счет экстракции с помощью ускоряющего электрического поля. Вольт-амперные характеристики.Выходные характеристики в схеме с общим истоком : Ic=f(Uси) при Uзи=constUcи.нас = |Uзи.отс- Uзи| При повышении напряжения на стоке выходной ток возрастает , но при этом уменьшается толщина канала по его длине и возрастает сопротивление , поэтому зависимость Ic от Uси нелинейна , постепенно замедляется рост тока. Когда Uси достигает напряжения насыщения Uси.нас , прекращается рост тока (по упрощенной теории). Горизонтальный участок выходной характеристики называется участком насыщения. Реальные характеристики в области насыщения имеют небольшой наклон. Чем больше запирающее напряжение на затворе , тем раньше наступает перекрытие канала : при меньшем Uси наступает насыщение , и ток насыщения Iс.нас оказывается меньшим. Передаточные (стоко-затворные) характеристики определяют зависимость Ic=j(Uзи) при Uси=const. Обычно их строят для Uси> Uси.нас Максимальное значение тока стока при Uзи = 0 называется начальным током Iс.нач Ic,мА Ic.нач. 8642Uзи.отс Uзи , В -5 -4 -3 -2 -1 0 Передаточная характеристика описывается параболой : Ic= Ic.нач. ( 1 - - Uзи / Uзи.отс )2 ^ Дифференциальные параметры.Ток стока зависит от 2 переменных : напряжений Uзи. и Ucи. . Приращение тока : DIc = SDUзи + GсиDUcи , или в системе Y- параметров : DIc = Y21DUзи+Y22DUcи Здесь Y21 или S - это проводимость прямой передачи или крутизна передаточной характеристики : S=dIc/dIзи при Ucи=const Из-за нелинейного вида передаточной характеристики крутизна зависит от начальной точки на кривой : S = (2Ic.нач./Uзи.отс) , мА/В S Имеет максимальное значение при Uзи =0 и линейно убывает до нуля при запирании транзистора. S измеряется в мА/В. Y22 или Gси - выходная проводимость. Gси = dIc/dUси при Uзи = const. Может быть определена по выходным характеристикам. Величина Gси у полевого транзистора очень мала, ее наличие обусловлено изменением эффективной длины канала при изменении напряжения Uси. Малосигнальная схема для переменных составляющих С повышением частоты колебаний напряжений и тока сказывается влияние междуэлектродных емкостей , которые снижают показатели транзистора : уменьшается крутизна , появляются емкостные составляющие входного и выходного тока , появляется цепь внутренней обратной связи через проходную емкость , которая может нарушить устойчивую работу в схеме усилителя. C11 = Cзи - входная емкость, C22 = Cси - выходная емкость, C12 = C3с - проходная емкость , C3к - распределенная емкость между затвором и активной частью канала , rк - поперечное сопротивление этого слоя. Цепочка C3к rк снижает крутизну , т.е. эффективность управления на высоких частотах сигнала : , где предельная частота крутизны транзистора. На этой частоте S уменьшается в раза по сравнению с низкими частотами. Реальные значения fs - десятки МГц. На низких частотах входной ток в цепи затвора отсутствует. Входное сопротивление очень велико : Rвх = 106..109 Ом ; Iз.ут. = 0,05...0,1мкА. Применение полевого транзистора для усиления колебаний переменного тока. +UпRc C2 Uвых С1 UвхRз UсиUзи.о При наличии в цепи тока резистора Rc напряжение на транзисторе в состоянии покоя : Uси.0=Uп-Ic.0Rc , где Ic.0 - ток покоя , Uси.0 - напряжение покоя. Координаты точки покоя устанавливаются выбором напряжения на затворе Uзи.о. Амплитуда тока стока : Ic.m =Suзи.m Амплитуда напряжения на выходе : uси.m=Rc Ic.m=S Rcuзи.m Коэффициент усиления по напряжению : Кu»-SRc^ Полевые транзисторы с изолированным затвором.Затвор - тонкая металлическая пленка - изолируется от канала - слоя полупроводника - с помощью слоя диэлектрика - обычно SiO2. Эти транзисторы называются МДП (металл-диэлектрик-полупроводник), или МОП (металл-окисел-полупроводник) транзисторами. Для изоляции канала от подложки, в качестве которой используется кристалл полупроводника противоположной электропроводности, служит обычно смещенный p-n-переход “канал-подложка”. Различают МДП-транзисторы с индуцированным и встроенным каналом. В конструкции МДП-транзистора с индуцированным каналом проводящего слоя между сильно легированными областями стока и истока нет. Сопротивление участка “сток-исток” очень велико: два встречно включенных перехода p-n. И З С p+ p+n-подложка П UЗИ Обозначение С p+ p+ n З П П ИЕсли на затвор подать достаточно большой отрицательный потенциал, он “вытягивает” С из p-областей стока и истока и даже из подложки. При некотором значении UЗ.И.пор З П концентрации дырок в промежутке сток- исток становится преобладающей ,- И появляется проводящий канал с проводимостью типа p. Такой режим называется обогащением.Стрелка от p-канала к n-подложке. Аналогично на p-подложке может быть получен канал типа n. Для появления канала на затвор нужно подать положительное напряжение, по величине выше UЗ.И.пор. Толщина канала 0.1..0.2 мкм регулируется напряжением UЗИ , при этом измеряется напряжение канала UСИ. Полярность напряжения сток-исток должна смещать переход канал-подложка в обратном направлении: для p-канала UСИ0 , т.е. полярности напряжений на затворе и стоке совпадают: Iс UСИ - + - UЗИ + Iс UСИ + - + UЗИ -В этом случае толщина канала по его длине неодинакова: больше у истока и уменьшается по мере приближения к стоку. При UСИ=UСИ.НАС наступает отсечка канала возле стока, а если UСИ>UСИ.НАС , то отсекается часть канала, через которую носители заряда проходят путем экстракции, т.е. за счет дрейфа через обеденный участок канала. UСИ UЗИ p+ p+ n ППередаточные характеристики.Ic=f(UЗИ) при UСИ=const имеют вид параболы. Iс Ic U’’СИ U’СИ U’СИ U’’СИn-канал p-канал 0 UЗИ.ПОР UЗИ UЗИ.ПОР 0 UЗИ^ Выходные характеристики Ic=j(UСИ) при UЗИ=const имеют крутые участки при UСИСИ.НАС и пологие участки в режиме насыщения. Напряжение насыщения соответствует нулевой толщине канала возле стока, т.е. UЗИ-UСИ.НАС= UЗИ.ПОР , откуда UСИ.НАС= UЗИ-UЗИ.ПОР. IcUЗИ=10В8В6В 4ВUСИ.НАС |UСИ| В МДП-транзисторах со встроенным каналом слой полупроводника между истоком и стоком создается при изготовлении транзистора, т.е. при UЗИ=0 канал существует. Его толщина изменяется при изменении напряжения затвор-исток: одной полярности увеличивается (режим обогащения), при другой - уменьшается (режим обеднения), вплоть до исчезновения канала, т.е. отсечки. Обозначение транзисторов со встроенным каналом:канал n-типа С С канал p-типа П П З ЗИ ИПередаточные характеристики. Ic Ic канал n-типа канал p-типарежим обогащениярежим обеднения Ic.НАЧ Iс.НАЧ UЗИ.ОТС 0 UЗИ 0 UЗИ.ОТС UЗИ^ Выходные характеристики по форме такие же, как и у транзистора с индуцированным каналом. Ic+4В+2В Ic.нач UЗИ=0 -2В UСИЭквивалентная схема МДП-транзистора такая же, как и транзистора с p-n-переходом. Но параметры значительно отличаются. Малы междуэлектродные емкости: СЗИ , СЗС - единицы пф, ССИ -доли пф. Очень велико входное сопротивление напряжения по постоянному току - 1012..1015 Ом и не зависит от полярности напряжения на затворе, в отличии от p-n-перехода. У МДП-транзистора сток и исток взаимозаменяемы.Применение МДП-транзисторов. +Uп Rc R1 C2 VT1 Rн Uвх C1 R2Усилитель напряжения на транзисторе с индуцированным каналом. Делитель R1,R2 задает начальное напряжение на затворе UЗ.И.О. , которое обеспечивает точку покоя. При наличии сопротивления в цепи стока напряжение сток-исток UСИ=UП-IсRс - это уравнение линии нагрузки. Ic Ic Icm Rc||RН Rc IСО 0 UЗИ.О UЗИО UЗИ UСИ 0 UЗ.И.ПОР 0 UСИО UП UЗИ.m UСИ.mПриращение тока Ic вызывает приращение напряжения на стоке:DUСИ=-DIc(Rc||Rн) А величина DIc согласно уравнению четырехполюсникаDIc=SDUЗИ+GСИDUСИ Совместное решение даетDUСИ=-S(Rc||RН) DUЗИ/ (1+RCGСИ) Таким образом, коэффициент усиленияКU=DUСИ/DUЗИ=-S(RC||RН)/(1+(RC||RН)GСИ) Если GСИ мала , Ku»-S(RC||RН)Полевой транзистор как управляемое сопротивление.При небольшом напряжении сток-исток UСИ Ic UЗИ=4В 3В 2В 0 UСИОбозначение полевых транзисторов КП103В 2П302А