Полупроводниковые приборы

Вид материала

Исследование

Содержание Полевые транзисторы с изолированным затвором. Полевой транзистор с изолированным затвором

Подобный материал:

• Полупроводниковые приборы, 421kb.
• Программа государственного экзамена по специальности 014100 «микроэлектроника и полупроводниковые, 141.75kb.
• Научно-технический журнал «Электронная техника. Серия Полупроводниковые приборы», 156.74kb.
• Лекция №11, 74.47kb.
• Ii. Свойства полупроводников. Полупроводниковые приборы. Общие свойства полупроводников, 14.35kb.
• Рабочая программа по дисциплине опд. В. 01 Полупроводниковые приборы и структуры, 236.36kb.
• Полупроводниковые диоды. Вольт-амперные характеристики германиевого и кремниевого диодов., 140.49kb.
• Учебно-методическое пособие ч а с т ь 1 Проводниковые и полупроводниковые материалы, 1174.66kb.
• Приборы радиационной и химической разведки, 93.55kb.
• Общая трудоемкость изучения дисциплины составляет 3 зет (108 час), 49.28kb.

P ΔU_кэ

а) ΔU_бэ

U΄_кэ U˝_кэ U_кэ U_бэ

б) в)

Рис. 11

Если принять в качестве независимых переменных I₁ и U₂, то U₁ и I₂ являются функциями U₁=f₁(I₁,U₂); I₂=f₂(I₁,U₂). Дифференцируя U₁ и I₂ по I₁ и U₂, получим систему двух уравнений:

Обозначим:

Подразумевая под U₁, I₁, U₂ и I₂ малые приращения их постоянных значений или амплитуды их переменных составляющих, дифференциальные уравнения с учетом обозначений можно переписать в виде:

.

Коэффициенты, входящие в эту систему, называются h – параметрами, имеющими определенный физический смысл: при U₂=0 – входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе, его можно вычислить, если источник напряжения U₂ подключить к выходу и измерить U₁ на входных зажимах. при I₁=0 – коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе. при U₂=0 – коэффициент усиления по току. при I₁=0 – выходная проводимость транзистора при разомкнутом входе.

Значения h – параметров транзистора зависят от схемы его включения (ОБ, ОЭ, ОК).

Порядок расчета h – параметров

Рассмотрим порядок расчета h – параметров для схемы с общим эмиттером. Параметры h₂₂ и h₂₁ определяют по входным характеристикам в заданной или выбранной точке Р (рис.11б).

Для этого при неизменном токе базы I_б΄ задают приращение ΔU_кэ=U˝_кэ-U΄_кэ, находят при этом приращении тока ΔI_к и определяют выходную проводимость транзистора при I_б=const. Обратная величина h₂₂ дает выходное сопротивление r_кэ.

При постоянном напряжении U΄_кэ=const задают приращение тока базы , определяют приращение тока ΔI_к΄ и рассчитывают коэффициент передачи тока базы (коэффициент усиления по току β):

при U΄_кэ=const.

Параметры h₁₁ и h₁₂ определяют по входным характеристикам (рис.11в). Для этого в той же рабочей точке Р (U΄_кэ, I΄_б) задают приращение ΔI_б (симметрично по обе стороны от точки Р на кривой с отметкой U΄_кэ=const), находят получившееся при этом приращение ΔU_бэ и вычисляют входное сопротивление транзистора:

при U΄_кэ=const.

Наконец, при постоянном токе базы I_б΄ задают приращение напряжения , определяют получающееся при этом приращение ΔU΄_бэ и находят коэффициент обратной связи по напряжению:

при I_б΄=const.


Униполярные (полевые) транзисторы


Полевой транзистор – это трехэлектродный полупроводниковый прибор, в канале которого, представляющем полупроводник лишь одного типа проводимости, ток создается внешним продольным приложенным напряжением, а управление сечением накала (а, значит, и проходящим по нему током) осуществляется за счет эффекта поля, создаваемого поперечным напряжением, приложенным к управляющему электроду – затвору.

Все полевые транзисторы делят на две группы: полевые транзисторы с управляющим p-n- переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором. В обеих группах полевых транзисторов электроды называют истоком И (соответствует эмиттеру Э биполярного транзистора), затвором З (соответствует базе Б) и стоком С (соответствует коллектору К).

На рис.12а схематически изображен полевой транзистор с p-n- переходом и каналом n-типа.




+ - З I_c mA U_зи= 0


15 U_зи= -1

И р С

n n-p 10

n-p ΔI΄_c U_зи= -2 ΔU_зи

p R_н

5 ΔU_си ΔI_c

I_c U_зи= -3


- + 5 10 U_си, В

а) б)

I_c

I_си С

15 З n-канальный


10 И г)

5 С

р-канальный


U_отс -3 -2 -1 U_зи З И д)

в)

Рис.12


Исток, сток и затвор (образованный параллельно соединенными р-областями) включаются в цепь с помощью омических выводов с n-и р-областями. Подача на затвор отрицательного напряжения относительно истока приводит к обеднению электронами участков канала примыкающих к затвору. Ширина p-n-перехода возрастает, а сечение канала уменьшается, что приводит к увеличению его сопротивления.

Рассмотрим выходные характеристики полевого транзистора (рис.12б). При малых значениях напряжения между стоком и истоком U_си ток I_с пропорционален напряжению U_си и определяется исходным сечением канала. С увеличением его положительный потенциал, приложенный к стоку, являясь обратным для p-n- переходов, расширяет их в области, примыкающей к стоку, в результате чего канал принимает форму воронки у стокового конца с повышенным сопротивлением для тока I_с. В итоге наступает режим насыщения (рис.12б).

При подаче на затвор отрицательного напряжения U_зи исходное сечение канала уменьшается, и режим насыщения наступает раньше. Поэтому выходные характеристики лежат ниже.

Зависимость тока на выходе I_с от напряжения на входе называется проходной, передаточной или стокозатворной характеристикой (рис.12в). Напряжение U_зи, при котором канал полностью перекрывается (I_с = 0), называется напряжением отсечки U_отс. Так как U_зи является обратным для p-n-переходов, ток во входной цепи представляет обратный ток для p-n-перехода и ввиду его малости полевой транзистор можно считать прибором, управляемым напряжением. Это свойство определяет высокое входное сопротивление полевых транзисторов. При величинах напряжений U_зи больших U_отс передаточная характеристика описывается уравнением:

, где I_си – ток стока при U_зи = 0. На практике эта величина тока для полевого транзистора является предельной, так как положительных напряжений затвор – исток стараются избегать, чтобы не потерять преимуществ, обеспечиваемых очень малым током затвора.

По передаточной характеристике транзистора может быть определен такой его параметр, как крутизна: при U_си = const.

Дифференцированием выражения можно определить крутизну .

Особый интерес представляет значение крутизны при I_c = I_cи. Для полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом это максимальное значение крутизны. . Можно отметить, что при равных токах стока полевого и коллектора биполярного транзисторов крутизна полевого транзистора существенно ниже, чем у биполярного.

По выходным характеристикам можно определить выходное или внутреннее сопротивление транзистора

при U_зи = const.

Наряду с рассмотренным транзистором с n-каналом имеются транзисторы с p-каналом. Принцип действия их аналогичен; различие заключается лишь в противоположной полярности источников питания и в соответствующих условных обозначениях (рис.12г,д). Полевые транзисторы с p-n-переходом применяют в основном для усиления сигналов.


Полевые транзисторы с изолированным затвором.

В этой группе транзисторов затвор представляет собой тонкую пленку металла, изолированную от полупроводника, в котором формируется проводящий канал. В зависимости от вида изоляции различают МДП и МОП – транзисторы.

Исток и сток формируют в сильно легированных областях полупроводника. Как МДП, так и МОП – транзисторы могут быть выполнены с каналом p- и n-типов. Канал в этой группе транзисторов может быть встроенным (т.е. созданным при изготовлении) и индуцированным (т.е. наводящимся под влиянием напряжения, приложенного к затвору).

На рис.13а изображен МДП – транзистор со встроенным каналом n-типа, соединяющим исток и сток (n⁺ - области). Эти области образованы в подложке – полупроводнике р-типа.




С З И С

n-канальные

n З П

n⁺ n⁺

И б)


p С

П р-канальные

З

а) подл. И в)

I_с mA I_c mA U_зи=1В

10 U_си=15В 10

U_зи=0

U_си=10В

5 5 д)

г) U_зи=-1В


-2 -1 0 1 2 U_зи,В 5 10 U_си,В


Рис.13


В зависимости от полярности напряжение U_зи, приложенное к затвору относительно истока, может обедняться и обогащаться основными носителями – электронами. При отрицательном напряжении на затворе U_зи электроны выталкиваются из области канала в подложку, канал обедняется носителями, и ток I_с снижается. Положительное напряжение на затворе втягивает электроны из подложки в канал и I_с через канал возрастает. В отличие от полевого транзистора с p-n-переходом, МДП – транзистор со встроенным каналом может управляться как

отрицательным, так и положительным напряжением, что отражено на его передаточных и выходных характеристиках (рис.13г,д).

Полевой транзистор с изолированным затвором

и индуцированным каналом

Этот вид транзистора отличается от предыдущего тем, что при отсутствии напряжения на затворе канал отсутствует (рис.14). Подача на затвор отрицательного напряжения не изменяет картины. Если же на затвор подать положительное напряжение больше порогового U_зи>U_{зи пор}, то созданное им электрическое поле “втягивает” электроны из n⁺ областей, образуя тонкий слой n-типа в приповерхностной области р-подложки (рис.14а).