Статические ВАХ ПТ с управляющим р -n переходом
31.02.2012
Флеров А.Н. курс “Физические основы микроэлектроники”
Для самостоятельного изучения
Часть 4
Полевые транзисторы
Полевые транзисторы (ПТ) в отличие от биполярных (БТ) управляются электрическим полем и поэтому имеют ряд специфических особенностей:
1 - высокое входное сопротивление;
2 - малое потребление энергии по цепи управления
3 - малый уровень шумов, т.к в полевых транзисторах в переносе заряда
участвуют носители одного знака, что исключает появление рекомбинационного шума.
ПТ не заменяют БТ, а позволяют реализовать определенные схемные функции. ПТ нашли широкое применение и как дискретный элемент, а также широко используются в интегральных микросхемах (ИМС). Это объясняется относительной простотой изготовления ПТ ИМС, по сравнению с БТ, и малым потреблением энергии и высокой плотностью расположения элементов в ИМС.
Классификация полевых транзисторов (упрощенная)
ПТ
С изолированным
Затвором (МОП, МДП)
Металл -п/п с управляющим встроенный канал индуцированный канал
P-n переходом
Р- канал n - канал р -канал n - канал
ПТ с управляющим р-п-переходом
Простейший полевой транзистор с управляющим p-n-переходом представляет собой тонкую пластинку полупроводникового материала с одним р-п-переходом и невыпрямляющими контактами по краям.
|
|
|
ПТ содержит три полупроводниковые области одного и того же типа проводимости, называемые соответственно истоком, каналом и стоком, а также управляющий электрод - затвор.
В транзисторе используется движение носителей заряда одного знака (основных носителей), которые из истока через канал движутся в сток.
Этим объясняются названия: исток- область, из которой выходят носители заряда, и сток - область, в которую они входят.
К каждой из областей (стоку и истоку) присоединены соответствующие выводы (омический контакт).
Схематическое устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом представлено на рис.13, и представляет собой вертикальный n-канал с кольцевой p-областью – затвором (возможны и другие варианты структуры).
Рис.13
Образованный p-n переход при нормальном режиме работы транзистора должен быть обратносмещенным.
Действие прибора основано на зависимости толщины p-n-перехода в зависимости от
приложенного к нему напряжения.
Источник U3 создает отрицательное напряжение на затворе, что приводит к увеличению толщины перехода (области обедненной носителями заряда) и уменьшению сечения проводящего канала.
|
|
|
Т.к. p-n-переход находится в запертом состоянии и почти полностью лишен подвижных носителей заряда, его проводимость практически равна нулю.
Уменьшение напряжение на затворе (по абсолютной величине) приводит к уменьшению ширины перехода. Если подключить к каналу источник питания Uun между стоком и истоком, то через пластину полупроводника между невыпрямляющими контактами потечет ток.
С уменьшением или увеличением напряжения на затворе, соответственно изменяется ширина перехода. С изменением ширины перехода уменьшается или увеличивается сечение канала, при этом уменьшается или увеличивается сопротивление канала и вследствие этого изменяется величина тока стока 1С.. В пластине полупроводника, в данном примере n-типа, образуется токопроводящий канал, сечение которого зависит от толщины р-n-перехода, а изменением напряжения на затворе U3, можно управлять 1С.
Носители в канале движутся от истока к стоку под действием продольного электрического поля (направленного вдоль канала), создаваемого напряжением меду стоком и истоком.
|
|
|
Электрическое поле, возникающее при приложении напряжения между затвором и истоком, направлено перпендикулярно движению носителей в канале и при этом говорят, что ток транзистора управляется поперечным электрическим полем.
Всегда можно подобрать такое отрицательное напряжение на затворе, когда произойдет полное перекрытие канала и ток канала окажется равным нулю. При полностью перекрытом канале ток канала обращается в нуль, а в цепи стока течет лишь малый остаточный ток (или ток отсечки) IСО.
Он состоит из обратного тока p-n-перехода I0 и тока утечки Iу, протекающего по поверхности кристалла. Т.к. Iу « I0, то Iсо ~ I0 .
В рабочем режиме по каналу протекает ток 1С, поэтому потенциалы различных поперечных сечений оказываются неодинаковыми, рис.14 (для примера показан транзистор с каналом p- типа, напряжение на затворе – положительное, а на стоке - отрицательное).
 |
Рис,14
Потенциал, распределенный вдоль канала, меняется от 0 у истока до UC у стока. Наибольшим будет сечение канала возле истока, где напряжение на переходе Upn = U3, и наименьшим возле стока, где Upn = UЗ - Uc.
|
|
|
Если увеличивать напряжение на стоке Uc, то увеличение 1С, начиная с некоторого
значения Uc, прекратиться, т.к. сужение канала будет увеличивать его сопротивление и увеличения тока, несмотря на увеличение напряжения, происходить не будет. Этот процесс называется насыщением
При относительно большом напряжении Uc, когда Uc + U3 > Upn , в стоковом участке обратно включенного управляющего p-n-перехода возникает электрический лавинный пробой и 1С резко возрастает. Этот ток замыкается через электрод затвора.
Условное графическое обозначение полевого транзистора с управляющим p-n переходом:
Стрелка в выводе затвора указывает направление прямого тока через р-n-переход
Отличие ПТ от БТ
Характерным для всех ПТ является очень малый ток в цепи затвора, т.к. затвор либо изолирован (МДП), либо образует с каналом управляющий переход, включаемый в обратном направлении. Т.к. затвор в электрических схемах является входным электродом, то ПТ обладает высоким входным сопротивлением на постоянном токе (более 108-1010 Ом).
В этом заключается важнейшее отличие ПТ от БТ, входное сопротивление которых, составляет единицы - сотни Ом (ОБ, ОЭ).
В связи с указанным различием входных сопротивлений иногда говорят, что ПТ - прибор, управляемый напряжением (электрическим полем), а БТ - это прибор, управляемый током.
В приборах, управляемых напряжением, напряжение на входном электроде прибора из-за высокого входного сопротивления Rвx практически не зависит от параметров самого прибора и определяется источником ЭДС входного сигнала, если Rвx » Rucm, где Rиcm - внутреннее сопротивление источника.
В приборах, управляемых током, входной ток из-за малого входного сопротивления прибора слабо зависит от параметров прибора и определяется током источника входного сигнала (при Rвx « Rиcm)
Статические ВАХ ПТ с управляющим р -n переходом
1. Статическая стоковая характеристика Ic = f(Uc) при Uз = const,. рис.15
Ucнас
Рис.15
Uз < Uпор - транзистор закрыт, и его ВАХ подобна обратной ветви полупроводникового диода (нижняя кривая на рис.15). Она практически совпадает с осью напряжений, отклоняясь от нее в области электрического пробоя. При U3=0 и малых значениях Uc ток стока изменяется прямо пропорционально с изменением напряжения (участок АБ).
В точке Б из-за заметного сужения стокового участка канала и уменьшения его общей проводимости намечается некоторое отклонение характеристики от прямой линии.
На участке БВ существенное сужение стокового участка канала и значительное уменьшения его общей проводимости вызывают замедление роста тока 1С с увеличением Uc. В точке В, при Ucнас ток стока достигает величины 1С нас и в дальнейшем остается почти неизменным.
2. Статическая стоко-затворная характеристска Ic = f(Uзи) при Uси = const,. рис.16
Uотс
Рис.16
Нормальный режим работы транзистора при Uс> Ucнас. Прямое включение p-n перехода не применяется т.к. при этом происходит инжекция неосновных носителей и входное сопротивление транзистора резко падает (теряется основное достоинство полевого транзистора - высокое входное сопротивление)
Основные параметры:
- Начальный ток стока Icнач при Uзи=0
- Напряжение отсечки Uотс при котором ток стока Ic=0
- Крутизна стоко-затворной характеристики S= DIС /DUЗИ [мА/В] при Uc = conct
Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 2087; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!