Головна

Вступ

  1.  A.3.1. Вступ
  2.  A.5.1. Вступ
  3.  I. ВСТУП
  4.  I. Вступ
  5.  I. Вступ
  6.  I. Вступ
  7.  I. ВСТУП

Польовими (уніполярними) транзисторами називають напівпровідникові прилади, у яких для управління струмом використовується залежність електричного опору струмопровідного шару від напруженості поперечного електричного поля.

Шари напівпровідника, в якому регулюється потік носіїв заряду, називається каналом, Електричне поле, що впливає на опір каналу, створюється за допомогою розташованого над каналом металевого електрода, званого затвором.

Затвор повинен бути електрично ізольована від каналу. Залежно від способу ізоляція розрізняють:

1) транзистори з керуючим р-n-переходить або з р-n-затвором (ізоляція затвора від каналу здійснюється збідненим рухливими носіями заряду шаром р-n-переходу);

2) транзистори з металлополупроводніковим затвором або затвором Шотткі (ізоляція затвора здійснюється збідненим рухливими носіями заряду шаром переходу n-типу або р-типу);

3) транзистори, у яких затвор ізольований від каналу діелектриком - транзистори з ізольованим затвором.

Найпростіший польовий транзистор з керуючим р-n-переходить є тонкою пластину напівпровідникового матеріалу з одним р-n-переходить в центральній частині і з омічними контактами по краях (рис. 1). Дія цього приладу заснована на залежності товщини р-n-переходу від прикладеного до нього напруги. Оскільки замикаючий шар майже повністю позбавлений рухливих носіїв заряду, його провідність мала. Обмежуючи з однієї з бічних сторін струмопровідний канал (утворений домішковим полупроводником пластини), що замикає шар тим самим визначає величину перетину цього каналу. Залежно від типу провідності напівпровідника канали можуть бути n-типу, як на рис. 1, або р-типу (при використанні кристала з доречний електропровідністю).

  Мал. 1. Схема включення польового транзистора з p-n-переходить і каналом n-типу.
 Мал. 2. Статичні стокові (а) і стоко-затворні характеристики польового транзісторас керуючим p-n-переходом

Якщо підключати до каналу джерело напруги, то через пластину напівпровідника між омічними контактами потече струм. Омічний контакт, від якого починають рух основні носії заряду, називається витоком, А омічний контакт до якого вони рухаються через канал - стоком. Електрод, який використовується для управління величиною поперечного перерізу каналу, називається затвором. Напруга стоку UCИ і напруга затвора UЗІ відраховують щодо витоку (рис. 1). Для ефективного управління перетином каналу керуючий р-n-перехід роблять різко несиметричним так, щоб замикаючий шар в основному розташовувався в товщі напівпровідникової пластини, що має відносно малу концентрацію основних носіїв, т. е. nn<< pp. Технологічну товщину каналу зазвичай роблять багато більше товщини замикаючого шару при UЗІ= 0. Довжину каналу роблять дуже малою (одиниці мікрометрів), ширину каналу - по можливості великий (зазвичай в сотні разів більше довжини). При подачі негативної напруги на затвор замикає шар розширюється, що призводить до звуження токопроводящего каналу і до збільшення його опору. Неважко помітити, що завжди можна підібрати таке негативне напруга на затворі (напруга відсічення струму стоку UЗІ ОТС<0), при якому незалежно від напруги на стоці відбудеться ліквідація токопроводящего каналу.

Управління перетином каналу (і відповідно струмом каналу IK) Проводиться за допомогою назад включеного p-n-переходу (ділянка затвор-витік), тому вхідний опір виявляється дуже великим, що вигідно відрізняє даний напівпровідниковий прилад від біполярного транзистора. Величина вхідного сопротівленіч може бути така ж, як у електронних ламп (навіть більше). Малий зворотний струм керуючого p-n-переходу до процесу управління безпосереднього відношення не має. Управління товщиною каналу здійснюється напругою UЗІабо в кінцевому підсумку електричним полем виникають в замикаючому шарі без здійснення інжекції носіїв. Звідси і походить назва польовий транзистор. При прямому включенні керуючого p-n-переходу (UЗІ 0) виникає прямий струм затвора і опір ділянки затвор-витік різко зменшується, тому таке включення недоцільно.

У робочому режимі, коли UСІ 0 по каналу протікає струм IK. Так як опір каналу не дорівнює нулю (його мінімальне значення при UЗІ= 0 може мати порядок сотень ом), потенціали його різних поперечних перерізів виявляються неоднаковими і зворотна напруга на р-n-переході зростає в напрямку до стоку. Це викликає відповідне збільшення товщини шару і звуження каналу (рис. 2). Найбільшим перетин каналу буде близько розташованого джерела, де негативна напруга на р-п-переході одно Up-n іст = UЗІ<0, найменшим - біля стоку, де Up-n ст = UЗІ-UЗІ<0.

Збільшення напруги стоку UСІ викличе збільшення струму IK, А напруга Up-n ст = UЗІ-UСІ<0 може досягти значення, рівного напрузі відсічення струму стоку, при якому в перерізі біля стоку має відбутися перекриття каналу.

Насправді повного перекриття каналу і відсічення каналу не відбувається.

Насправді біля стоку залишається вузька токопроводящая перемичка (горловина каналу), в якій напруженість електричного поля досягає критичного значення. При подальшому збільшення напруги стоку горловина подовжується і на ній падає все додаткову напругу стоку, понад те значення, при якому відбулося умовне перекриття каналу. У результату відбувається не відсічення, а лише обмеження струму каналу Ik»Const, т. Е. Цей струм стає практично незалежним від UСІ. Такий процес називається насиченням, А напруга і струм, при якому він виникає - відповідно напругою насищеніяUСІ НАС. і струмом насичення IK НАС. З умови Up-n ст = UЗІ ОТС.= UЗІ-UСІ НАС. знаходимо:

UСІ НАС = UЗІ-UЗІ ОТС.= | UЗІ ОТС.| - | UЗІ| , (1)

так як ділянку сток-затвор розділений назад включеним р-п-переходить, то в загальному випадку струм стоку виявляється рівним IСТ= IК+ IСТ. ОБР., Де IСТ. ОБР. - Відносно малий зворотний струм керуючого переходу, який утворений неосновними носіями.

На рис. 2. показано сімейство статичних вихідних (або стічних) характеристик польового транзистора з керуючим р-п-переходом: IСТ= F (UСІ) При UЗІ= Const.

Розглянемо стоковий характеристику, яка відповідає умові UЗІ= 0, що означає коротке замикання затвора зі стоком.

При малих значеннях UСІ струм стоку змінюється прямо пропорційно змінам напруги (ділянка АБ). Нахил цієї ділянки, відповідного повністю відкритому каналу, прямо пропорційний провідності каналу. У точці Б через помітне звуження стокового ділянки каналу і зменшення його загальної провідності намічається деяке відхилення характеристик прямої лінії.

На ділянці БВ істотне звуження стокового каналу і значне зменшення його загальної провідності викликають суттєве уповільнення зростання струму IСТ зі збільшенням напруги UСІ. У точці В при UСІ НАС.= | UЗІ ОТС.| струм стоку досягає значення IСТ НАС. і в подальшому залишається майже незмінним (рис. 2а, т. Г).

При відносно великій напрузі UСІ, Коли UСІ+ | UЗІ| ? Uпробою, В стоковому ділянці назад включеного керуючого р-п-переходу виникає електричний (лавинний) пробою, тому струм стоку різко зростає. Цей струм замикається через електрод затвора (рис. 2а, т. Д).

При негативному напрузі затвораUЗІ<0 вихідна провідність каналу зменшиться, тому початкова ділянка даної стокової характеристики буде більш пологий. Крім цього, перехід до режиму насичення станеться при менших значеннях напруги і струму стоку. Геометричне місце точок, відповідних умовного перекриття каналу і настанню режиму насичення, на графіку рис. 2а показано штрихпунктирной лінією. Трохи меншим виявляється і стічне напруга електричного пробою, т. К. UСІ ПРОБ.= Uпробою - | UЗІ|, Де Uпробою - Напруга пробою керуючого р-п-переходу. при UЗІ = UЗІ ОТС. в стокової ланцюга тече лише залишковий струм IСТ ОТС., Який малий. На рис. 2б показана статична стоко-затворна характеристика IСТ= F (UЗІ) При UСІ= Const.

При фіксованій величині UСІ = Const (рис. 2б) знаходимо значення струму IСТ для конкретних значень UЗІ. За цим точкам в координатах IСТ і UЗІ будується статична стоко-затворна характеристика для даного значення UСІ = Const (рис. 2б). Можна бачити, що в режимі насичення IСТ»IСТ НАС і все стоко-затворні характеристики практично зливаються в одну лінію для всіх UСІ ?UСІ НАС.= | UЗІ ОТС| - | UЗІ|.

Така характеристика носить так само назву передавальної на відміну від вихідної характеристики, показаної на рис. 2а.

Передавальний характеристику можна також побудувати безпосередньо виходячи з експериментальних даних. Аналітичний вираз для цієї характеристики досить точно визначається квадратичною залежністю:

IСТ= IСТ. НАС. МАКС.(1-UЗІ/ UЗІ ОТС.)2 , (2)

де IСТ. НАС. МАКС.= IСТ. НАС. (UЗІ= 0)

Досвід показує, що це рівняння добре відображає реальні характеристики незалежно від закону розподілу домішок в каналі. Закон розподілу домішок в каналі може однак вплинути на показник ступеня, який може змінюватися в межах від 2 до 2,25.

Диференціальні параметри польового транзистора мають наступний фізичний сенс:

1. Крутизна характеристики S = ???IСТ/ ?UЗІ»DIСТ/ DUЗІ, При UСІ= Const.

Відповідні збільшення DIСТ і DUЗІ, При UСІ= Const можуть бути знайдені по статичним характеристикам (рис. 2а, б). Цей параметр визначає нахил (крутизну) статичної стоко-затворної характеристики в заданій точці, т. Е. Є похідну функції струму стоку по напрузі затвора. Аналітичний вираз крутизни (для режиму насичення) можна отримати шляхом диференціювання рівності (2) по UЗІ (UЗІ? 0)

S = ?IСТ. НАС./ ?UЗІ= [2IСТ. НАС.(UЗІ= 0) / | UЗІ ОТС.| (1 UЗІ/ UЗІ ОТС.) (3)

З виразу (3) випливає, що крутизна має максимальне значення SМАХ= 2IСТ. НАС.(UЗІ= 0) / | UЗІ ОТС.| при UЗІ= 0 (від 0,5 до декількох міліампер на вольт) і мінімальне значення SMIN= 0 при UЗІ= UЗІ ОТС.

2. Внутрішнє (диференціальне) опір Ri»D UСІ / DIСТ. при UЗІ= Const. У режимі насичення струм стоку змінюється незначно при UЗІ= Const, тому Ri має значення від декількох десятків до сотень кіло.

3. Статичний коефіцієнт посилення по напрузі m = / DUСІ/ DUЗІ/ При IСТ= Const. Статично коефіцієнт посилення по напрузі показує, у скільки разів зміна напруги на затворі впливає ефективніше на ток IСТ, Ніж зміна напруги на стоці. Цей коефіцієнт визначає потенційні можливості польового транзистора як підсилювача напруги.

Неважко помітити, що

m = / DUСІ/ DUЗІ/ = / (DUСІ/ DIСТ) (DIСТ/ DUЗІ) / = RiS (4)

Співвідношення (4) має універсальний характер, т. К. Воно справедливо для всіх керованих електронних приладів. Статичний коефіцієнт посилення по напрузі польового транзистора з керуючим р-п-переходить має значення порядку декількох сотень.

4. Диференціальний опір ділянки затвор-витік при розімкнутому ланцюзі стоку RЗІ= DUЗІ/ DIЗІ) Відповідає диференціального опору назад включеного діода r д. обр. має значення порядку декількох мега.

Транзистор з переходом метал-напівпровідник працює аналогічно транзистору з р-п-переходом. Однак, він володіє кращими частотними властивостями, т. К. Має меншу прохідну ємність СЗС внаслідок того, що перехід Шотткі має меншу глибину залягання і меншу площу бічної поверхні в порівнянні з р-п-переходить. Граничні частоти посилення таких транзисторів можуть досягати 30 Ггц.

Транзистори з ізольованим затвором - МДП-транзистори (метал-діелектрик-напівпровідник) або МОП-транзистори (метал-окисел-напівпровідник) мають дві конструктивні різновиди: з індукованим і з вбудованим каналами.

Транзистор з вбудованим каналом має наступну конструкцію (рис.3). Підставою (підкладкою) служить кремнієва пластинка з електропровідністю p-типу. У ній створені дві області з підвищеною провідністю n+-типу (сильно легований напівпровідник). Ці області є витоком і стоком. Від них зроблені висновки. Між витоком і стоком є ??тонкий приповерхневих канал з електропровідністю n-типу (слабо легований напівпровідник). Довжина каналу від витоку до стоку зазвичай порядку одиниць мікрона. Ширина становить сотні мікрон і більше в залежності від величини робочого струму транзистора. Па поверхні каналу є діелектричний шар двоокису кремнію товщиною близько 0,1?0,2 мкм. Зверху діелектричного шару розташований затвор у вигляді тонкої металевої плівки. Від підкладки робиться висновок, який з'єднується з витоком.

a) б)
Мал. 3. Польовий транзистор з власним каналом n-типу (а) і польовий транзистор з індукованим каналом n-типу.
 
Мал. 4. Умовне графічне зображення польових транзисторів. 1 - з керуючим р-п-переходом, 2 - з індукованим каналом, 3 - з вбудованим каналом; а) канал п-типу, б) канал р-типу.

Якщо при нульовій напрузі затвора докласти між стоком і витоком напругу відповідне полярності, то через канал потече струм, який представляє собою потік електронів. Через підставу струм не піде, т. К. Один з р-п+-переходів буде перебувати під зворотною напругою. При подачі на затвор негативного напруги щодо потоку, і отже, і щодо заснування в каналі створюється поперечне електричне поле, під впливом якого виштовхуються з каналу в області витоку, стоку і в підставу електрони. Канал збіднюється електронами, опір його збільшується і струм знову зменшується. Такий режим називається режимом збідніння.

Якщо на затвор подати позитивне напруга, то під дією поля, створеного цим напругою, з області витоку стоку і підстави в канал будуть приходити електрони, провідність каналу збільшиться і ток знову зросте.

Іншим типом є транзистор з індукованим каналом. Від попереднього він відрізняється тим, що канал виникає тільки при подачі на затвор напруги певної полярності. При відсутності цієї напруги каналу немає, між витоком і стоком n+-типу розташоване підстава р-типу і на одному з р-п+-переходів виходить зворотна напруга, в цьому стані опір між витоком і стоком дуже велике, т. е. транзистор замкнений.

Якщо подати на затвор позитивне відносне витоку напруга, то під впливом виник поля затвора електрони будуть переміщатися з областей витоку, стоку і підстави в напрямку затвора. Коли напруга затвора перевищить деякий відмикає (порогове), значення порядку одиниць вольт, то в поверхневому шарі концентрація електронів настільки збільшиться, що перевищить концентрацію дірок і в цьому шарі відбудеться інверсія типу електропровідності, т. Е. Утворюється тонкий канал п-тяпа і транзистор почне проводити струм. Такий транзистор може працювати тільки в режимі збагачення.

Транзистори з ізольованим затвором мають ряд переваг в порівнянні з транзисторами з р-п-переходить Вхідний опір у них досягає 1012-1015 Ом. Вони мають малу вхідний ємністю і нескладною технологією виготовлення.

Структура транзисторів з ізольованими затворами показана на рис. 3, а схематичне зображення на рис. 4.

 Порядок виконання роботи |  Порядок виконання роботи


 Вступ |  випрямні діоди |  Загальні параметри діодів |  Порядок виконання роботи |  Вступ |  Основні характеристики транзистора |  Схеми включення транзисторів |  Лабораторна робота №4 |  I. Вентилі |  II. однонапівперіодне випрямлення |

© 2016-2022  um.co.ua - учбові матеріали та реферати