Файл: С.Н. Гринфельд Физические основы электроники уч. пособие.doc

Входная характеристика ПТУП – это зависимость I_з = f (U_зи). Представляет собой обратную ветвь ВАХ p-n-перехода (рис. 4.19).

Параметры птуп

Основным параметром, ис­пользуемым при расчете усилительного каскада с полевым транзистором, является статическая крутизна характеристики прямой передачи, т.е. отношение изменения тока стока к изменению напряжения ме­жду затвором и истоком:

.

Крутизна обычно измеряется в миллиамперах на вольты и для типовых транзисторов она равна от десятых долей до единиц миллиампер на вольт. Крутизна характеризует управляющее действие затвора.

Дифференциальное выходное сопротивление опреде­ляется следующим образом:

.

Оно составляет, примерно от десятков до сотен килоом.

Статиче­ский коэффициент усиления по напряжению равен:

.

Он показывает, во сколько раз изменение напряжения на затворе воздействует эффективнее на ток стока, чем изменение напряжения на стоке.

Входное дифференциальное сопротивление равно:

.

Входное сопротивление имеет значение от сотен килоом до десятков мегаом.

Поскольку характеристики полевого транзистора нелинейны, значения дифференциальных параметров зависят от выбранного режима работы по постоянному току.

Эквивалентная схема птуп

Основным элементом эквивалентной схемы полевого транзистора (рис. 4.20), характеризующим усилительные свойства прибора, является зависимый генератор тока SU_зи. Частотные и импульсные характеристики транзистора определяются емкостями электродов: затвор – сток (C_зи), затвор – сток (C_зс), сток – исток (C_си). Емкости C_зи и C_зс зависят от площади затвора и степени легирования канала, емкость C_зс – самая маленькая среди рассмотренных.

Сопротивления утечки R_зс, R_зи, R_зс весьма велики, и учитываются, как правило, при расчете электрических усилительных каскадов постоянного тока. При расчете импульсных каскадов и усилительных каскадов переменного тока их не учитывают, поскольку проводимость емкостей обычно всегда больше шунтирующих их проводимостей утечки электродов.

Схемы включения полевого транзистора

Полевой транзистор в качестве элемента схемы представляет собой активный несимметричный четырехполюсник, у которого один из зажимов является общим для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой из электродов полевого транзистора подключен к общему выводу, различают схемы (рис. 4.21):

1. с общим истоком и входом на затвор;

2. с общим стоком и входом на затвор;

3. с общим затвором и входом на исток.

Температурная зависимость параметров птуп

При изменении температуры свойства полупроводниковых материалов изменяются. Это приводит к изменению параметров полевого транзистора, в первую очередь, тока стока, крутизны и тока утечки затвора.

Зависимость изменения тока стока от температуры определяется двумя факторами: контактной разностью потенциалов p-n-перехода и изменением подвижности основных носителей заряда в канале. При повышении температуры контактная разность потенциалов уменьшается, ширина перехода также уменьшается, канал расширяется, сопротивление его падает, а ток стока увеличивается. Но повышение температуры приводит к уменьшению подвижности носителей заряда в канале и тока стока. Первое сказывается при малых токах стока, второе – при больших.

При определенных условиях действие этих факторов взаимно компенсируется, и ток полевого транзистора не зависит от температуры. На рис. 4.22 приведены стоко-затворные характеристики при различных температурах окружающей среды и указано положение термостабильной точки (ТСТ).

Для кремниевых транзисторов крутизна (S) с увеличе­нием температуры уменьшается.С повышением температуры увели­чивается собственная проводимость полупроводника, возрастает входной ток затвора (I_з) через переход и, следовательно, уменьшается R_вх. У полевых кремниевых транзисторов с p-n-переходом при комнатной температуре ток затвора порядка 1 нА. При увеличении температуры ток удваивается на каждые 10 °С. Хотя абсолютное изменение тока незначительно, его надо учитывать при больших сопротивлениях в цепи затвора. В этом случае изменение тока затвора может вызвать существенное изменение напряжения на затворе полевого транзистора и режима его работы.

4.2.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором

В

Рис.4.23. Структура полевого транзистора

с изолированным затвором

Структуры пт с изолированным затвором

Структура транзистора показана на рис. 4.23. В подложке из полупроводника p-типа с относительно высоким удельным сопротивлением созданы две сильнолегированные области n⁺-типа, одна из которых является истоком, другая – стоком. Обе области расположены на близком расстоянии друг от друга (5 – 50 мкм). Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким (порядка 0,1 мкм) слоем диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод – затвор. Подложку обычно соединяют с истоком. Получается структура, состоящая из слоя металла, диэлектрика и полупроводника, то есть МДП-структура.

Исходным полупроводником для ПТ с изолированным затвором в основном является кремний. Поэтому в качестве диэлектрика под затвором используется обычно слой двуокиси кремнияSiO₂. Такой полевой транзистор называют ПТ типа металл- окисел-полупроводник или МОП-транзистором.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом. Условные обозначения МДП-транзисторов показаны на рис. 4.24.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом

В данном приборе в исходном состоянии между стоком и истоком отсутствует токопроводящий канал. Высоколегированные n^+-области стока и истока с полупроводником подложки образуютp-n-переходы, поэтому при любой полярности напряжения на стоке относительно истока один из этихp-n-переходов оказывается включенным в обратном направлении и препятствует протеканию тока.

При подаче положительного напряжения на затвор электрическое поле через диэлектрик проникает в приповерхностный слой подложки и выталкивает из нее основные носители заряда (дырки), то есть у поверхности полупроводника под затвором возникает обедненный основными носителями заряда слой, состоящий из ионизированных нескомпенсированных атомов примеси.

Дальнейшее увеличение напряжения на затворе вызовет приток к поверхности подложки неосновных носителей заряда (электронов). При определенном значении напряжения U_зи, которое называется пороговым напряжением (U_{зи пор}), в тонком приповерхносном слое на границе с диэлектриком существенно увеличится концентрация электронов, т.е. в этом слое происходит изменение типа электропроводности с дырочной на электронную. Под затвором возникает инверсный слой, который и является проводящим каналом между стоком и истоком. Такой канал называют индуцированным (наведенным).

При изменении напряжения на затворе изменяется концентрация подвижных носителей в канале, а также толщина проводящего канала, изменяется его проводимость, а следовательно, и ток стока (I_c), протекающий в канале от истока к стоку, если между ними приложено напряжениеU_си. Так происходит управление током стока в МДП-транзисторе с индуцированным каналом.

Статические характеристики мдп-транзистора с индуцированным каналом

Выходные статические характеристики – это зависимость:

.

Характер этой зависимости для МДП – транзистора аналогичен характеру таких же зависимостей для ПТ с управляющим переходом (рис. 4.25).

При заданном напряжении на затворе транзистора по мере увеличении напряжения U_си ток стока вначале увеличивается почти линейно (омическая область), затем скорость его возрастания уменьшается, при некоторых значениях (U_си.нас) ток стремится к постоянной величине (область насыщения), а далее резко возрастает (область пробоя).

Вработающем транзисторе по каналу течет ток I_c, поэтому напряжение между затвором и каналом (из-за падения напряжения на сопротивлении канала) в различных поперечных сечениях оказывается неодинаковым, а изменяется отU_зивблизи истока до напряжения (U_зи–U_си) вблизи стока. Из-за этого различной оказывается и толщина индуцированного канала: она больше вблизи истока и меньше близи стока.

При U_си.нас =U_зи–U_зи.порнапряжение на затворе относительно стокового участка канала становится равным пороговому напряжению, что приводит к перекрытию индуцированного канала вблизи стока (толщина канала в месте перекрытия очень мала), происходит ограничение тока стока так же, как в транзисторах с управляющимp-n–переходом.

Дальнейшее увеличение U_сиприводит только к удлинению перекрытия, поэтому ток не растет. При увеличении напряжения на затворе ток стока увеличивается, и характеристики смещаются вверх. Так как возникновение и увеличение проводимости канала связано с его обогащением подвижными носителями заряда (дырками), то считают, что транзисторы подобного типа работают в режиме обогащения. Согласно этому принципу транзисторы с управляющимp-n–переходом работают в режиме обеднения.