4.5. Вольт - амперные характеристики полевых транзисторов.
5. Рекомендации по применению полевых транзисторов.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Действие транзистора можно сравнить с действием плотины. С помощью
постоянного источника (течения реки) и плотины создан перепад уровней
воды. Затрачивая очень небольшую энергию на вертикальное перемещение
затвора, мы можем управлять потоком воды большой мощности, т.е.
управлять энергией мощного постоянного источника
Срок службы полупроводниковых триодов и их экономичность во много раз
больше, чем у электронных ламп. За счёт чего транзисторы нашли широкое
применение в микроэлектронике — теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре
и, конечно же, в компьютерах. Они заменяют электронные лампы во многих
электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.
Преимущества транзисторов по сравнению с электронными лампами - те же,
как и у полупроводниковых диодов - отсутствие накалённого катода,
потребляющего значительную мощность и требующего времени для его
разогрева. Кроме того транзисторы сами по себе во много раз меньше по
массе и размерам, чем электрические лампы, и транзисторы способны
работать при более низких напряжениях и более высоких частотах.
Но наряду с положительными качествами, триоды имеют и свои
недостатки. Как и полупроводниковые диоды, транзисторы очень
чувствительны к повышению температуры, электрическим перегрузкам и
сильно проникающим излучениям (чтобы сделать транзистор более
долговечным, его помещают в специальные корпуса ).
Основные материалы из которых изготовляют транзисторы — кремний и
германий, перспективные – арсенид галлия , сульфид цинка и широко зонные
проводники .
Существует 2 типа транзисторов: биполярные и полевые.
Рассмотрим устройство и принцип действия полевого транзистора МОП-
структуры (Металл- Окисел- Полупроводник), который нашел широкое
применение в качестве основного элемента всех современных интегральных
микросхем КМОП структуры.
МОП – ТРАНЗИСТОРЫ
1. 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.=159/С11и , где fгр =
частота, МГц; S - крутизна характеристики транзистора, мА/В; 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
полевом транзисторе с изолированным затвором ток затвора практически не
зависит от температуры.
4.4. Максимально допустимые параметры.
М а к с и м а л ь н о д о п у с т и м ы е п а р а м е т р ы
определяют значения конкретных режимов полевых транзисторов, которые не
должны превышаться при любых условиях эксплуатации и при которых
обеспечивается заданная надежность. К максимально допустимым параметрам
относятся: максимально допустимое напряжение затвор - исток UЗИmax ,
затвор - сток UЗСmax , сток - исток UСИmax , максимально допустимое
напряжение сток - подложка UСПmax , исток - подложка UИПmax , затвор
- подложка U ЗПmax . Максимально допустимый постоянный ток стока I Сmax
максимально допустимый прямой ток затвора IЗ(пр)max , максимально
допустимая постоянная рассеиваемая мощность Рmax .
4.5. Вольт – амперные характеристики полевых транзисторов.
а
б
Рис. 7. Вольт – амперные характеристики полевого транзистора со
встроеным
каналом n- типа: а – стоковые; б – стоко – затворные.
Вольт - амперные характеристики полевых транзисторов устанавливают
зависимость тока стока I C от одного из напряжений UСИ или UЗИ при
фиксированной величине второго.
В МДП - транзисторе с индуцированным каналом с подложкой р-типа при
UЗИ = 0 канал п-типа может находиться в проводящем состоянии. При
некотором пороговом напряжении UЗИ.ПОР < 0 за счет обеднения канала
основными носителями проводимость его значительно уменьшается.
Статические стоковые характеристики в этом случае будут иметь вид ,
изображенный на рис. 7 , а стоко - затворная характеристика пересекает
ось ординат в точке со значением тока IC.НАЧ.
Особенностью МДП - транзистора с индуцированным каналом п - типа
является возможность работы без постоянного напряжения смещения
( U ЗИ = 0) в режиме как обеднения, так и обогащения канала
основными носителями заряда. МДП - транзистор с встроенным каналом
имеет вольт-амперные характеристики , аналогичные изображенным на рис.
7 .
У МДП - транзисторов всех типов потенциал подложки относительно
истока оказывает заметное влияние на вольт -амперные характеристики и
соответственно параметры транзистора. Благодаря воздействию на
проводимость канала подложка может выполнять функцию затвора.
Напряжение на подложке относительно истока должно иметь такую
полярность, чтобы р-п переход исток - подложка включался в обратном
направлении. При этом р-п переход канал - подложка действует как затвор
полевого транзистора с управляющим р-п переходом.
5. Рекомендации по применению полевых транзисторов.
Рекомендации по применению полевых транзисторов. Полевые транзисторы
имеют вольт-амперные характеристики, подобные ламповым, и обладают
всеми принципиальными преимуществами транзисторов. Это позволяет
применять их в схемах, в большинстве случаев использовались электронные
лампы, например, в усилителях постоянного тока с высокоомным входом ,
в истоковых повторителях с особо высокоомным входом , в
электрометрических усилителях, различных реле времени, RS - генераторах
синусоидальных колебаний низких и инфранизких частот, в генераторах
пилообразных колебаний , усилителях низкой частоты , работающих от
источников с большим внутренним сопротивлением, в активных RC -
фильтрах низких частот. Полевые транзисторы с изолированным затвором
используют в высокочастотных усилителях, смесителях , ключевых
устройствах.
В рекомендации по использованию транзисторов для случая полевых
транзисторов следует внести дополнения:
1. На затвор полевых транзисторов с р-п ( отрицательное для
транзисторов с р - каналом и положительным для транзистора с п -
каналом).
2. Полевые транзисторы с изолированным затвором следует хранить с
закороченными выводами. При включении транзисторов в схему должны быть
приняты все меры для снятия зарядов статического электричества.
Необходимую пайку производить на заземленном металлическом листе,
заземлить жало паяльника, а так же руки монтажника при помощи
специального металлического браслета. Не следует применять одежду из
синтетических тканей. Целесообразно подсоединять полевой транзистор к
схеме, предварительно закоротив его выводы.
