Статические характеристики полевых транзисторов с
Изолированным затвором
Цель работы:изучение особенностей работы полевых транзисторов с изолированным затвором (ПТИЗ) и экспериментальное определение их основных статических параметров и характеристик, исследование работы ПТИЗ в схеме транзисторного ключа.
Основные положения.Классификация ПТИЗ, приведена на рис. 5.1, откуда видно, что эти ПТ подразделяются на два вида: со встроенным (собственным) каналом и с индуцированным (инверсным) каналом. У каждого из этих видов транзисторов проводящий канал может быть n- или p-типа. В ПТИЗ затвор разделен в электрическом отношении от канала тонким слоем диэлектрика ( МДП-транзисторы ) или окисла ( МОП- транзисторы ) и ток в канале, как и в ПТУП, регулируется электрическим полем ( напряжением Uзи ). ПТ с индуцированным каналом относятся к разряду нормально закрытых приборов, у которых при Uзи = 0 проводящий канал и ток в канале отсутствуют. Эти ПТ называют приборами обогащенного типа, так как при подаче напряжения на затвор канал обогащается носителями электрического тока и ток в канале возрастает с ростом Uзи. ПТ со встроенным каналом могут работать в двух режимах:
1) обеднения
2) обогащения проводящего канала носителями электрического тока.
Условные обозначения и структурные схемы ПТ со встроенным каналом показаны на рис. 6.1, где Si-p и Si-n – кремниевые подложки, n- и p-области – встроенные каналы, - n+- и p+-слои – области стоков и истоков, области зеленого цвета – диэлектрик , области черного цвета – металлические контакты.
|
|
|
Рисунок 6.1- Условные обозначения и структурные схемы полевых
транзисторов с собственным каналом:
а – с каналом n-типа, б – с каналом p-типа
У большинства ПТИЗ подложка соединена с истоком (показано пунктиром на рис. 6.1.). Потенциал подложки принимается за нулевой. На рис. 6.2 приведены условные графические изображения ПТ. Внутреннее соединение или, при наличии вывода от подложки, внешнее соединение подложки и истока позволяют эффективно управлять работой транзистора.
Рисунок 6.2- Условные обозначения полевых транзисторов с собственным каналом и внутренним соединением подложки и истока: а – n-канального, б – p-канального
Принцип действия ПТ со встроенным каналом: на рис. 6.3, показан n-канальный ПТ с короткозамкнутыми подложкой и истоком, включенный по схеме с ОИ. Здесь Jn (пунктирная линия) – поток электронов от истока к стоку , In = Iс (сплошная линия) – ток электронов от стока к истоку, заштрихованная область – ОПЗ в канале.
Рисунок 6.3 - Схема, поясняющая принцип работы полевого транзистора со встроенным каналом n-типа
В отсутствие напряжения на затворе, т.е. при Uзи = 0, и при Uси > 0 толщина ОПЗ минимальна, сопротивление канала относительно невелико и ток стока, протекающий по каналу, близок к значению Iс нач. При подаче напряжения Uзи минусом на затвор, как это показано на рис. 6.3, электроны, инжектированные в канал n+-истоком, оттесняются электрическим полем, созданным этим напряжением, от границы раздела диэлектрик- полупроводник вглубь канала и выталкиваются в подложку. Металлический контакт затвора не в состоянии компенсировать уход электронов из-за наличия диэлектрика. Одновременно с этим процессом, повышается потенциальный барьер истокового n+-n-перехода, что приводит к уменьшению числа электронов, поставляемых n+-истоком в канал (режим обеднения канала основными носителями). В результате, в канале, со стороны диэлектрика, образуется область, обедненная основными носителями электрического тока (ОПЗ), толщина которой тем больше, чем больше отрицательное напряжение на затворе. Это приводит к уменьшению толщины проводящего канала и его площади, вследствие чего, сопротивление канала растет, а ток стока, согласно выражению (5.2), падает. При Uзи = Uзи отс канал полностью перекрыт и Iс =0. Если полярность напряжения Uзи на затворе изменить на противоположную, как это показано на рис. 6.4, то толщина ОПЗ в канале близка к нулю, так как ОПЗ обратносмещенного n+-p-перехода смещается лишь в сторону высокоомной подложки.
|
|
|
|
|
|
Рисунок 6.4 - Схема, поясняющая принцип работы полевого транзистора со встроенным каналом n-типа
При этом с ростом положительных значений Uзи понижается потенциальный барьер истокового n+-n-перехода что приводит к увеличению числа электронов, поставляемых n+-истоком в канал (режим обогащения канала основными носителями), уменьшению сопротивления канала и росту тока стока относительно Iс нач. Таким образом, в области отрицательных значений Uзи, ПТ со встроенным каналом n-типа работает точно так же, как и n- канальный ПТУП, а в области положительных значений – как прямосмещенный изотипный n+-n-переход. Этот вывод подтверждают статические характеристики транзистора, показанные на рис. 6.5. Видно, что в отличие от ПТУП (рис. 5.4), с ростом положительных значений Uзи ток стока в ПТ со встроенным n-каналом не ограничивается на уровне, близком к значению Iс нач, а продолжает возрастать. Этот факт отражен и в семействе выходных характеристик на рис. 6.5,б. Основные параметры ПТ со встроенным n-каналом идентичны параметрам ПТ с управляющим p+-n-переходом. В частности, в области отрицательных напряжений Uзи передаточная характеристика на рис.6.5а хорошо аппроксимируется выражением (5.6), а коэффициент усиления по напряжению можно рассчитать по формуле (5.13) .
|
|
|
Рисунок 6.5 - Статические характеристики полевых транзисторов со
встроенным каналом n-типа: а – передаточная, б – семейство выходных
Поэтому, в указанной области Uзи аналогичной будет и работа этих ПТ в электронных устройствах, например, в схеме транзисторного ключа. Передаточные характеристики транзисторного ключа на основе ПТ со встроенным n-каналом имеют вид, подобный показанному на рис. 5.9, но насыщение тока стока в этом ключе реализуется в области положительных значений Uзи. Это связано с тем, что ПТ со встроенным каналом могут работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения канала основными носителями электрического тока. Условные обозначения и структурные схемы ПТ с индуцированным каналом показаны на рис. 6.6, где все обозначения те же, что и на рис. 6.1. У большинства из этих ПТИЗ, как и у ПТ со встроенным каналом, подложка соединена
Рисунок 6.6 - Условные обозначения и структурные схемы полевых транзисторов с инверсным каналом: а – с каналом n-типа, б – c каналом p-типа с истоком и потенциал этого соединения принимается за нулевой .
На рис. 6.7 приведены условные графические изображения таких ПТ.
Рисунок 6.7 - Условные обозначения полевых транзисторов с инверсным каналом и внутренним соединением подложки и истока:
а – n-канальных, б – p-канальных
Принцип действия ПТ с индуцированным каналом (рис. 6.8) показан n-канальный ПТ с короткозамкнутыми подложкой и истоком, включенный по схеме с ОИ. В отсутствие напряжения на затворе, т.е. при Uзи = 0, и при Uси > 0 проводящего канала нет и ток стока ничтожно мал, так как представляет собой ток электронов обратносмещенного стокового n+-p- перехода . При подаче напряжения Uзи плюсом на затвор, дырки подложки оттесняются электрическим полем, созданным этим напряжением, от границы раздела диэлектрик-полупроводник вглубь подложки. Одновременно с этим процессом, понижается потенциальный барьер истокового n+-p- перехода, что приводит к росту числа электронов, поставляемых n+-истоком к границе раздела. Туда же поступают, хотя и в меньшем количестве, электроны из подложки. С ростом Uзи концентрация электронов на границе раздела растет, главным образом, за счет понижения потенциального барьера истокового n+-p-перехода и увеличения потока электронов к границе из n+-истока. При некотором напряжении Uзи, называемом пороговым и составляющем единицы вольт, концентрация электронов под затвором увеличится и превысит концентрацию дырок в этой области, где и произойдет так называемая инверсия типа электропроводности подложки, т.е. образование тонкого проводящего канала n-типа (индуцированный канал).
Рисунок 6.8 - Схема, поясняющая принцип работы полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа
Таким образом , при Uзи = Uзи пор , где Uзи пор – пороговое напряжение , исходный n+-p-n+- транзистор преобразуется в n+-n-n+ -структуру с изотипными n+-n-переходами, подобную структуре ПТ со встроенным каналом n-типа (см. рис. 6.1,а). При дальнейшем увеличении Uзи, т.е. при Uзи > Uзи пор, понижается потенциальный барьер уже изотипного истокового n+-n-перехода, что приводит к существенному увеличению числа электронов, поставляемых n+-истоком в канал (режим обогащения канала), уменьшению сопротивления канала за счет увеличения его толщины и площади и, согласно (5.2), к росту тока стока. Качественное описание физических процессов в ПТ с индуцированным каналом отражает передаточная характеристика , показанная на рис. 6.9 , которая хорошо аппроксимируется выражением при Uзи ≥ Uзи пор. На рис. 6.9 Iсо и Uзи пор – параметры аппроксимации.
(6.1)
Рисунок 6.9 - Передаточная характеристика полевого транзистора
с индуцированным каналом n-типа
Так как ПТ с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения, то его выходные характеристики имеют вид, показанный на рис. 6.10 , где Uзи3 > Uзи2 > Uзи1 > Uзи пор . Основные параметры этого ПТ идентичны параметрам ПТ с управляющим p+-n-переходом.
Рисунок 6.10 - Выходные характеристики полевого транзистора с
индуцированным каналом
Статические характеристики p-канальных ПТ будут иметь тот же вид, что и n-канальных, но в своих областях напряжений Uзи и Uси. Так, например, передаточная характеристика p-канального ПТУП, приведенная на рис. 6.11, расположена в области положительных значений Uзи и отрицательных значений Uси и Iс . В электронных схемах чаще используют n-канальные ПТ, обладающие лучшим сочетанием выходных характеристик по сравнению с p-канальными приборами из-за большей, подвижности электронов.
Рисунок 6.11 - Передаточная характеристика p-канального полевого
транзистора с управляющим p-n-переходом
Передаточные характеристики транзисторного ключа на основе ПТ с индуцированным n-каналом приведены на рис. 6.12.
Рисунок 6.12 - Передаточные характеристики транзисторного ключа:
зависимость тока стока от напряжения затвор-исток (а), зависимость напряжения сток-исток от напряжения затвор-исток (б)
Параметры те же, что и на рис. 5.9, кроме порогового напряжения Uзи пор ( см. рис. 6.9 ) . Из рис. 6.12 видно, что в области напряжений 0 ≤ Uзи ≤Uзи пор ПТ находится в режиме отсечки , при напряжениях Uзи пор < Uзи ≤ Uзи гр – в активной области, а при Uзи> Uзи гр – в области насыщения тока стока.
Порядок выполнения работы
Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 96; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!