Полевой транзистор с управляющим p – n переходом
Лабораторная работа N5
Исследование характеристик и параметров полевых транзисторов
| Цель работы: | Изучение структуры и принципа работы полевых транзисторов, и их статических характеристик и дифференциальных параметров. |
ВВЕДЕНИЕ
Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, управляемым электрическим полем и протекающим через проводящий канал.
Данное определение полевого транзистора объясняет существование трех различных терминов, определяющих этот тип приборов. По принципу управления электрическим током (электрическим полем) такие приборы называют полевыми. Их также называют униполярными (в отличии от биполярных), поскольку перенос тока в них обеспечивают носители заряда одного типа. Наконец, можно встретить термин “канальные приборы”, поскольку параметры такого прибора определяются свойствами канала, в котором могут перемещаться носители заряда.
Полевые приборы в схемах выполняют те же функции, что и биполярные, и могут работать в усилительном или ключевом режимах. Их основное отличие от биполярных в том, что их цепь управления изолирована от выходной цепи либо диэлектриком, либо обратносмещенным p – n переходом. Цепь управления полевого прибора можно представить конденсатором, заряд на обкладках которого изменяется под действием управляющего поля (напряжения). Полупроводник служит одной из обкладок этого конденсатора C, которая входит в выходную цепь прибора: изменение заряда обкладки вызывает изменение сопротивления канала 
и, соответственно, выходного тока и мощности (рис.1).
|
|
|
2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Классификация и условные обозначения полевых транзисторов
Классифицировать полевые транзисторы можно по трем параметрам:
- по полярности носителей заряда в канале: n – или p – канальные;
- по типу изоляции затвора: транзисторы с управляющим p – n переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором;
- по типу легирования канала: транзисторы обогащенного или обедненного типа.
Управление током полевого транзистора выполняется с помощью электрического поля, созданного управляющим сигналом. В полупроводнике имеется область, в которой перемещаются носители заряда и проводимостью которой управляет внешнее электрическое поле. Эта область называется проводящим каналом, или просто каналом, и может быть полупроводником p – или n – типа, электрод, через который в канал поступают носители заряда, называется истоком (обозначается И). Электрод, через который выходят из полупроводника носители заряда, называется стоком (С). Электрод, на который подается управляющий сигнал, называется затвором (З).
|
|
|
Затвор изолирован от проводящего канала либо p – n переходом, на который подано обратное смещение (диодная изоляция), либо слоем диэлектрика (оксид кремния). В первом случае имеем полевой транзистор с управляющим p - n переходом, во втором – транзистор с изолированным затвором – МДП – или МОП – транзистор. Аббревиатура МДП – металл – диэлектрик – полупроводник (МОП – металл – оксид - полупроводник) отражает структуру транзистора в области затвора. Металл – это металлизированный электрод затвора.
Из восьми возможных комбинаций, допускаемых выше перечисленными тремя классификационными параметрами в настоящее время реализованы пять. Их можно представить в виде следующей диаграммы (рис.2):
В электрических схемах полевые транзисторы имеют свое графическое изображение, представленное на рис.3
Полевой транзистор с управляющим p – n переходом
Полевой транзисторс управляющим p – n переходом (ПТУП) имеет два омических перехода в области истока и стока, через которые проходит управляемый поток основных носителей, и один или два управляющих p – n перехода, смещенных в обратном направлении (рис.4). Как видно из рис.4, на управля 
ющие переходы подано обратное смещение и на них же подается управляющий переменный внешний сигнал. При изменениях обратного напряжения на p – n переходах изменяется ширина зоны обеднения или области пространственного заряда (ОПЗ), показанной на рис.4 штриховой линией. Вследствие этого изменяется ширина канала d. По которому могут свободно перемещаться носители, и, следовательно, сопротивление участка исток – сток и ток через нагрузку 
. Таким образом, ПТУП способен управлять током стока, создаваемым внешним достаточно мощным источником питания в цепи нагрузки, в зависимости от маломощного источника управляющего сигнала. Так как в цепи управления при этом могут протекать только малые обратные токи p - n перехода, то мощность, потребляемая транзистором от источника сигнала в цепи управления, ничтожно мала.
|
|
|
Рассмотрим сначала процессы в канале ПТУП при 
. Зависимость толщины канала d от напряжения затвор – исток 
имеет вид:
(2.1)
где: 
- максимальная толщина канала при 
; 
- суммарная толщина ОПЗ, в зависимости от ; 
[ 
] – электрическая постоянная; 
- относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, q – элементарный заряд носителей; N – концентрация основных носителей.
|
|
|
При некотором значении ОПЗ занимает весь канал ( 
) - происходит так называемая отсечка канала. Из (2.1) легко находится напряжение 
, при котором отсечка канала наступает ( 
- напряжение отсечки при d = 0):
(2.2)
Тогда 
(2.3)
Рассмотрим процессы в канале при 
. В этом случае на толщину канала, кроме , будет влиять и 
, которое плавно возрастает вдоль оси x (рис.5, а). В точке канала с координатой x напряжение будет 
, а напряжение на p – n переходе ( + ). Толщина канала поэтому тоже зависит от x:
(2.4)
С ростом толщина канала больше всего уменьшается в области стока (при 
), так как там будет наибольшее запирающее напряжение. Следовательно, сопротивление канала будет возрастать даже при неизменном напряжении с ростом напряжения . При некотором граничном значении напряжения 
, равном
(2.5)
Канал в точке перекрывается ОПЗ.
Перекрытие канала ОПЗ не означает прекращения тока в транзисторе. При малых напряжениях сток – исток < сужение канала увеличивает его сопротивление , но оно возрастает медленнее, чем напряжение . Поэтому на этом участке значений ток стока 
возрастает сначала почти линейно, а вблизи значений рост тока замедляется. Поэтому при достижении = ток стока достигает некоторого значения, которое называют начальным током стока 
.
При > ОПЗ заполняет канал по его длине, смещаясь в сторону истока (рис.5, б). Потенциал канала в точке А практически не изменяется и равен , поэтому разность напряжений 
приходится на область ОПЗ длиной 
. Ток стока при этом остается практически постоянным и равным 
. Поскольку само перекрытие канала, областью пространственного заряда есть следствие роста тока стока , поэтому после перекрытия отсекается не сам ток, а его приращения за счет роста . Небольшой рост тока в этой области все – таки происходит за счет уменьшения длины канала до 
и соответствующего уменьшения сопротивления канала . Эта область напряжений > соответствует участку насыщения тока и является рабочей (усилительной) областью, поскольку здесь ПТУП по отношению к внешней цепи представляется источником постоянного тока 
и имеет большое выходное сопротивление.
Статические характеристики
Важнейшими для полевых транзисторов являются семейства выходных статических характеристик и семейство статических характеристик передачи (сток – затворные характеристики).
Выходные статические характеристики ПТУП – это зависимость тока 
от напряжения сток – исток при различных постоянных напряжениях на затворе 
.
(2.6)
Начнем с характеристики при 
(рис.6).
Напряжение только при коротком замыкании истока и затвора. Характеристика выходит из начала координат под углом, определяемым начальным сопротивлением канала и сопротивлениями 
и 
участков полупроводника от истока и стока до начальной и конечной точек канала (x = 0 и x = 1 на рис. 5, а)
Первую часть характеристики называют крутой частью и зависимость тока 
уже обсуждалась (область < 
). Часть характеристики при > 
называют пологой частью или участком насыщения.
Отметим еще раз условность термина “перекрытие” канала. Как мы видели сужение канала при 
и при увеличении является следствием роста тока стока. Если исчезнет ток, то не будет и перекрытия. Поэтому можно считать, что с ростом тока стока (или ) автоматически устанавливается некоторое минимальное сечение канала со стороны стокового электрода. При дальнейшем росте увеличивается длина этого суженного участка канала и растет статическое сопротивление канала, поэтому ток стока остается практически неизменным.
При подаче на затвор обратного напряжения уменьшается начальное поперечное сечение канала, т.е. сопротивление канала возрастает. Поэтому и наклон начальных участков ВАХ при 
уменьшается, что соответствует большему начальному сопротивлению канала.
При меньших начальных сечениях перекрытие канала из – за роста напряжения на стоке наступает при меньших значениях .
При больших напряжениях на стоке может возникать пробой p – n перехода затвора. Обратное напряжение на p – n переходе максимально у стокового конца канала и равно 
. Поэтому пробой p – n перехода происходит при разных напряжениях на стоке 
, зависящих от величины . Чем больше , тем меньше . Этот процесс соответствует третьей части ВАХ на рис.6, соответствующей быстрому росту тока стока 
. Большинство полевых транзисторов кремниевые , поэтому пробой в них носит лавинный характер.
Сток – затворные или характеристики передачи ПТУП представляют зависимость тока стока от напряжения на затворе при различных постоянных напряжениях на стоке . Так как основным рабочим режимом является режим насыщения тока стока, то наибольшее значение имеет зависимость
(2.7)
Характер этой зависимости ясен из принципа работы транзистора: с ростом ток стока уменьшается. Изменение напряжения на стоке весьма незначительно изменяет положение характеристики передачи из – за малого изменения тока стока в пологой части ВАХ.
Напряжение ПТУП, при котором ток стока достигает заданного низкого значения, называется напряжением отсечки транзистора 
.
По статической характеристике передачи можно определить еще один важный параметр полевого транзистора, характеризующий его усилительные свойства – крутизну характеристики полевого транзистора 
, равную отношению приращения тока стока к приращению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком
(2.8)
Получим аналитическое выражение выходных статических характеристик ПТУП. Пренебрегая объемными сопротивлениями участков кристалла между истоком, стоком и границами канала, обозначенными 
и 
, рабочую часть транзистора можно упрощенно изобразить в виде рис.8.
Плотность тока в кристалле
(2.9)
где: 
- удельная проводимость канала; 
- потенциал точки в канале; Е – напряженность электрического поля.
В первом приближении не учитываем зависимость удельной проводимости от напряженности электрического поля, т.е. не учитываем изменение подвижности носителей заряда. Плотность тока в канале изменяется по его длине, т.к. изменяется сечение канала и напряженность поля.
Ток в канале транзистора, одинаковый по всему каналу,
, (2.10)
где: b – ширина канала.
Толщина канала (2.4) в обозначениях, принятых на рис.8, запишется:
(2.11)
Подставив (2.11) в (2.10) для модуля тока стока получим:
(2.12)
Решив это дифференциальное уравнение с граничными условиями: 
; 
, получим уравнение выходной характеристики:
(2.13)
где: 
- сопротивление участка сток – исток в открытом состоянии, т.е. при 
и малом напряжении на стоке 
< .
Из (2.13) можно найти ток насыщения полевого транзистора. Как отмечалось, перекрытие канала наступает при напряжении , поэтому режим насыщения наступит при условии
,
или при напряжении на стоке
. (2.14)
Если в (2.13) заменить 
на и на по (2.14), то получим связь между током и напряжением насыщения
(2.15)
На рис.6 штриховая кривая показывает эту зависимость 
.
Важно знать и зависимость тока насыщения от напряжения на затворе, т.е. сток – затворную характеристику. Она получается из выражения (2.13), если в него подставить 
из (2.14)
(2.16)
Дифференцируя (2.16) по , получаем крутизну характеристики
(2.17)
Анализ соотношения (2.17) позволяет сделать некоторые выводы:
1. Для увеличения крутизны характеристики 
следует уменьшить сопротивление 
, т.е. повышать удельную проводимость . Этого можно добиться увеличением концентрации примеси в канале. С другой стороны, концентрация примеси (и носителей) в канале должна быть много меньше, чем в n – областях p – n переходов, чтобы при увеличении обратного напряжения ОПЗ распространялась преимущественно в область канала. Поэтому для повышения проводимости канала выбирают материал с большей подвижностью носителей, сохраняя невысокую их концентрацию.
2. Значение крутизны зависит от отношения ширины канала к его длине 
. Увеличение отношения 
позволяет повысить крутизну характеристики 
и ток насыщения ПТУП.
3. Повысить крутизну можно увеличением толщины канала 
. Но в этом случае резко возрастут напряжения отсечки и граничное ( и ), определяющие вход ПТУП в режим насыщения – основной рабочий режим ПТУП. Напряжение отсечки должно быть малым, поэтому толщину канала делают небольшой, хотя это и снижает крутизну характеристики ПТУП.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 1014; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!