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:

  1. Начальный ток стока Icнач при Uзи=0
  2. Напряжение отсечки Uотс при котором ток стока Ic=0
  3. 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!

Поделиться с друзьями:




Мы поможем в написании ваших работ!