Материал: 2072

з Uзи1

и

д

Рис. 6.10. Полевой транзистор с управляющим p–n-переходом:

а, б – упрощенные структуры; в, г – условные графические обозначения ПТ с каналом n- и p-типов в схемах; д – схема подключения ПТ

к источникам питания

Таким образом, работа ПТ основана на изменении проводимости канала между истоком и стоком под действием поперечного электрического поля, которое создается управляющим напряжением Uзи . Этим и объясняется название ПТ. Полевой транзистор может усиливать электрический сигнал, подаваемый на затвор, если нагрузку включить в цепь стока. Схема усилителя напряжения показана на рис. 6.11, а. Источник входного напряжения uвх t включен последовательно с источником постоянной ЭДС смещения. Она необходима для нормальной работы ПТ при любой полярности сигнала uвх t .

76

Малые изменения напряжения uвх t вызывают изменение напряженности поперечного электрического поля, ширины p–n-перехода и сопротивления канала ПТ. В результате ток стока ic изменяется в противофазе с изменениями входного напряжения uвх t . Переменная составляющая падения напряжения на сопротивлении нагрузки Rн представляет собой выходной сигнал, амплитуда которого может быть значительно больше, чем у входного сигнала.

Со стороны затвора ПТ имеет очень большое входное сопротивление, так как p–n-переход включен в обратном направлении. В отличие от биполярного полевой транзистор управляется не током, а напряжением. Главные достоинства ПТ – его высокое входное сопротивление и невысокая стоимость.

Статические характеристики полевого транзистора

Основными характеристиками ПТ являются выходные (стоковые) и передаточные (сток-затворные).

Стоковая характеристика отражает зависимость тока стока Ic от напряжения между стоком и истоком Uси при заданном напряжении на затворе относительно истока Uзи :

Ic = f Uси при Uзи = const.

На рис. 6.11, б приведено семейство таких характеристик для транзистора с каналом n-типа.

При малых значениях Uси (область I) ток Ic растет пропорционально напряжению. По мере увеличения Uси (область II) расширяется p–n- переход, канал сужается и растет его сопротивление, что приводит к замедлению роста тока и нелинейности этого участка ВАХ. При дальнейшем увеличении Uси (область III) ток Ic практически не растет, так как повышение Uси компенсируется одновременным повышением сопротивления канала. При лавинном пробое p–n-перехода вблизи стока большим напряжением Uси (область IV) ток Ic резко возрастает.

Как видно из стоковых характеристик, в области I ПТ, по сути, является резистором с управляемым статическим сопротивлением. Рабочей для усилительных режимов является область III, где ПТ близок по свойствам к источнику тока Ic , управляемому напряжением Uзи .

Сток-затворная характеристика – это зависимость тока стока от напряжения между затвором и истоком при постоянном напряжении Uси :

Ic f Uзu .

77

ческий коэффициент усиления напряжения, а также параметры предельных режимов: максимально допустимые значения напряжений Ucumax,

Uзumax , мощности Pmaxдоп и температуры Тmax . Крутизна сток-затворной характеристики

S Ic Uзи при Uси =const.

Чем выше S , тем лучше усилительные свойства транзистора. Обычно S = 0,1 – 8 мА/В. Крутизна определяет наклон сток-затворной характеристики ПТ (рис. 6.11, в).

Внутреннее (дифференциальное) сопротивление

Чем больше Ri , тем более полого идет стоковая характеристика в области насыщения. Обычно Ri составляет десятки и сотни килоом.

Входное сопротивление Rвх очень велико, так как определяется обрат-

ным сопротивлением p–n-перехода и составляет величину 108 109 Ом. В этом состоит одно преимущество полевого транзистора перед бипо-

лярным.

Статический коэффициент усиления напряжения определяет усилительные свойства ПТ:

Этот коэффициент показывает, во сколько раз напряжение затвора Uзи сильнее влияет на ток стока, чем напряжение стока Uси .

Кроме этих статических параметров, на работу ПТ в переходных режимах влияют междуэлектродные емкости.

МДП-транзистор

Металл-диэлектрик-полупроводник-транзистором называют ПТ с изолированным затвором. В нем затвор представляет собой металлический слой, электрически изолированный от полупроводниковой области проводящего канала тонким слоем диэлектрика, что и обусловило название транзистора (МДП-транзистор).

Чаще всего в качестве диэлектрика используется тонкая пленка SiO2 (окиси кремния). В результате получается структура «металл-окисел-

79

полупроводник», поэтому МДП-транзистор часто называют МОП-транзи- стором.

В зависимости от технологии изготовления различают две разновидности МДП-транзисторов: со встроенным каналом и с индуцированным каналом.

МДП-транзистор со встроенным каналом

В МДП-транзисторе со встроенным каналом n-типа исходным материалом является кремниевая пластина p-типа (рис. 6.12, а), называемая подложкой. В этой пластине создают области n+-типа с большой концентрацией примесей, образующие сток и исток, а между ними – тонкий слой n-типа с малой концентрацией примесей, являющийся токопроводящим каналом. На поверхности пластины создается тонкая пленка SiO2, которая изолирует металлический затвор канала. Длина канала от истока до стока составляет единицы микрометров, ширина его – сотни микрометров, толщина слоя SiO2 – 0,1 – 0,2 мкм.

Металлические выводы создаются от областей стока, истока, затвора и в некоторых случаях от подложки. Чаще всего вывод от подложки электрически соединяют с истоком внутри корпуса транзистора. Условные графические и позиционные обозначения МДП-транзисторов со встроенным каналом приведены на рис. 6.12, б-д.

Принцип действия МДП-транзистора со встроенным каналом состоит в проводимости канала под действием поперечного электрического поля, создаваемого напряжением на затворе Uзи .

При Uзи = 0 через канал протекает сквозной ток под действием напряжения между стоком и истоком Uси . Через подложку ток не протекает, так как один из p–n-переходов между стоком, подложкой и истоком находится под обратным напряжением.

Вид стоковой характеристики Ic f Ucu при Uзи = 0 такой же, как и у ПТ с управляющим p–n-переходом (рис. 6.13, а). Ее начальный участок

– крутовосходящий. По мере увеличения Uси канал к стоку сужается из-за расширения области p–n-перехода между стоком и подложкой, проводимость канала уменьшается, происходит плавный переход к режиму насыщения – к пологому участку характеристики Ic f Ucu .

При подаче на затвор отрицательного напряжения Uзи 0 электрическое поле затвора отталкивает электроны, вытесняя их в область подложки. Канал обедняется основными носителями заряда, проводимость его уменьшается, в результате стоковая характеристика Ic f Ucu смещается вниз (рис. 6.13, а).

80