Устройство полевого транзистора

Устройство полевого транзистора. Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал и управляемый электрическим полем.

В отличие от биполярных работа полевых транзисторов основана на использовании основных носителей заряда в полупроводнике. По конструктивному исполнению и технологии изготовления полевые транзисторы можно разделить на две группы полевые транзисторы с управляющим р- п - переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором.

Рис.1. Структура полевого транзистора Полевой транзистор с управляющим р-п- переходом - это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала р-п - переходом, смещенным в обратном направлении. Электрод, из которого в канал входят носители заряда, называют истоком электрод, через который из канала уходят носители заряда стоком электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала затвором. При подключении к истоку отрицательного для п-канала, а к стоку положительного напряжения рис. 1 в канале возникает электрический ток, создаваемый движением электронов от истока к стоку, т.е. основными носителями заряда.

В этом заключается существенное отличие полевого транзистора от биполярного. Движение носителей заряда вдоль электронно-дырочного перехода а не через переходы, как в биполярном транзисторе является второй характерной особенностью полевого транзистора. Электрическое поле, создаваемое между затвором и каналом, изменяет плотность носителей заряда в канале, т.е. величину протекающего тока. Так как управление происходит через обратно смещенный р-п-переход, сопротивление между управляющим электродом и каналом велико, а потребляемая мощность от источника сигнала в цепи затвора ничтожно мала. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебаний как по мощности, так и по току и напряжению.

Рис. 2. Структура полевого транзистора с изолированным затвором а - с индуцированным каналом б - со встроенным каналом.

Полевой транзистор с изолированным затвором - это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. Полевой транзистор с изолированным затвором состоит из пластины полупроводника подложки с относительно высоким удельным сопротивлением, в которой созданы две области с противоположным типом электропроводности рис. 2 . На эти области нанесены металлические электроды - исток и сток. Поверхность полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем диэлектрика обычно слоем оксида кремния.

На слой диэлектрика нанесен металлический электрод - затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП- транзисторами или МОП- транзисторами металл - оксид- полупроводник. Существуют две разновидности МДП-транзисторов с индуцированным и со встроенным каналами. В МДП-транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока и, следовательно, заметный ток стока появляются только при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока отрицательного при р-канале и положительного при п-канале.

Это напряжение называют пороговым UЗИ.пор. Так как появление и рост проводимости индуцированного канала связаны с обогащением его основными носителями заряда, то считают, что канал работает в режиме обогащения.

В МДП - транзисторах со встроенным каналом проводящий канал, изготавливается технологическим путем, образуется при напряжении на затворе равном нулю. Током стока можно управлять, изменяя значение и полярность напряжения между затвором и истоком. При некотором положительном напряжении затвор - исток транзистора с р - каналом или отрицательном напряжении транзистора с n -каналом ток в цепи стока прекращается. Это напряжение называют напряжением отсечки UЗИ.отс. МДП - транзистор со встроенным каналом может работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения канала основными носителями заряда. 2. Схемы включения полевого транзистора.

Рис. 3. 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 с общим истоком и входом затвор с общим стоком и входом на затвор с общим затвором и входом на исток.

Схемы включения полевого транзистора показаны на рис. 3. По аналогии с ламповой электроникой, где за типовую принята схема с общим катодом, для полевых транзисторов типовой является схема с общим истоком. 3. Эквивалентная схема полевого транзистора. Рис. 4. Эквивалентная схема полевого транзистора. Эквивалентная схема полевого транзистора, элементы которой выражены через у-параметры, приведен на рис. 4. При таком подключении каждая из проводимости имеет физический смысл. 4. Параметры полевого транзистора.

Входная проводимость определяется проводимостью участка затвор - исток уЗИ. у11 у12 выходная проводимость - проводимость участка сток - исток уСИ у22 у21 функции передачи - крутизной вольт-амперной характеристики S у21 - у12 функция обратной передачи - проходной проводимостью уЗС у12 . Эти параметры применяются за первичные параметры полевого транзистора, используемого в качестве четырехполюсника.

Если первичные параметры четырехполюсника для схем с общим истоком определены, то можно рассчитать параметры для любой другой схемы включения полевого транзистора. Начальный ток стока IС.нач - ток стока при напряжении между затвором и истоком, равном нулю и напряжении на стоке, равном или превышающим напряжение насыщения. Остаточный ток стока IС.ост - ток стока при напряжении между затвором и истоком, превышающем напряжение отсечки. Ток утечки затвора IЗ.ут - ток затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой.

Обратный ток перехода затвор - сток IЗСО - ток, протекающий в цепи затвор - сток при заданном обратном напряжении между затвором и стоком и разомкнутыми остальными выводами. Обратный ток перехода затвор - исток I ЗИО - ток, протекающий в цепи затвор - исток при заданном обратном напряжении между затвором и истоком и разомкнутыми остальными выводами. Напряжение отсечки полевого транзистора UЗИ.отс - напряжение между затвором и истоком транзистора с р -п переходом или изолированным затвором, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.

Пороговое напряжение полевого транзистора UЗИ.пор - напряжение между затвором и истоком транзистора с изолированным затвором, работающего в режиме обогащения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения. Крутизна характеристик полевого транзистора S - отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком.

Входная емкость полевого транзистора С11и - емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току на выходе в схеме с общим истоком. Выходная емкость полевого транзистора С22и - емкость между стоком и истоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком. Проходная емкость полевого транзистора C12и - емкость между затвором и стоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком. Емкость затвор -сток СЗСО - емкость между затвором и стоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах.

Емкость затвор - исток СЗИО емкость между затвором и истоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах. Коэффициент усиления по мощности Кур - отношение мощности на выходе полевого транзистора к мощности на входе при определенной частоте и схеме включения. 4.1. Частотные свойства.

Частотные свойства полевых транзисторов определяются постоянной времени RC - цепи затвора. Поскольку входная емкость С11и у транзисторов с р-п переходом велика десятки пикофарад, их применение в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением возможно в диапазоне частот, ре превышающих сотен килогерц - единиц мегагерц. При работе в переключающих схемах скорость переключения полностью определяется постоянной времени RC - цепи затвора. У полевых транзисторов с изолированным затвором входная емкость значительно меньше, поэтому их частотные свойства намного лучше, чем у полевых транзисторов с р-п - переходом.

Граничная частота определяется по формуле fгр.159С11и, где fгр частота, МГц S - крутизна характеристики транзистора, мАВ С11и - емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току выходной цепи, пФ. 4.2. Шумовые свойства. Шумовые свойства полевых транзисторов оцениваются коэффициентом шума КШ , который мало зависит от напряжения сток - исток, тока стока и окружающей температуры ниже 50 0 С и монотонно возрастает с уменьшением частоты и внутреннего сопротивления источника сигнала.

Коэффициент шума измеряют в заданном режиме по постоянному току UСИ, IC на определенной частоте. Вместо коэффициента шума иногда указывают шумовое напряжение полевого транзистора Uш - эквивалентное шумовое напряжение, приведенное ко входу, в полосе частот при определенном полном сопротивлении генератора в схеме с общим истоком шумовой ток Iш - эквивалентный шумовой ток, приведенный ко входу, при разомкнутом входе в полосе частот в схеме с общим истоком. 4.3. Тепловые параметры.

Тепловые параметры полевого транзистора характеризуют его устойчивость при работе в диапазоне температур. 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 р-п перехода и изменением подвижности основных носителей заряда в канале.

При повышении температуры контактная разность потенциалов уменьшается, сопротивление канала падает, а ток увеличивается. Но повышение температуры приводит к уменьшению подвижности носителей заряда в канале и тока стока. При определенных условиях действие этих факторов взаимнокомпенсируется и ток полевого транзистора перестает зависеть от температуры.

На рис. 5. приведены стокозатворные характеристики при различных температурах окружающей Рис. 5. Сток - затворные характеристики полевого транзистора при разных температурах. среды и указано положение термостабильной точки. Зависимость крутизны характеристики от температуры у полевых транзисторов такая же как и у тока стока. С ростом температуры ток утечки затвора увеличивается. Хотя абсолютное изменение тока незначительно, его надо учитывать при больших сопротивлениях в цепи затвора.

В этом случае изменение тока утечки затвора может вызвать существенное изменение напряжения на затворе полевого транзистора и режима его работы. Температурная зависимость тока утечки затвора полевого транзистора с р-п переходом приведена на рис. 6 . В рис. 6. Зависимость тока утечки затвора полевого транзистора от температуры. полевом транзисторе с изолированным затвором ток затвора практически не зависит от температуры. 4.4.