Лекция по теме «Полевые транзисторы»

5. Полевые транзисторы

5.1. Классификация полевых транзисторов

Полевой транзистор (ПТ) — полупроводниковый прибор, в котором ре­гулирование тока осуществляется изменением проводимости проводящего канала с помощью поперечного электрического поля.

Электроды полевого транзистора называют истоком (И), стоком (С) и затвором (3). Управляющее напряжение прикладывается между затвором и ис­током. От напряжения между затвором и истоком зависит проводимость кана­ла, следовательно, и величина тока.

Вывод:  1. Полевой транзистор можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением затвор-исток.

2. Ес­ли амплитуда изменения управляющего сигнала достаточно велика, сопротив­ление канала может изменяться в очень больших пределах. В этом случае поле­вой транзистор можно использовать в качестве электронного ключа.

По конструкции полевые транзисторы можно разбить на две группы:

• полевые транзисторы с управляющим (регулируемым) p-n- переходом.
• с металлическим затвором, изолированным от канала диэлектриком (МДП- транзисторы — металл-диэлектрик- полупроводник).

В большинстве случаев диэлектриком является двуокись кремния SiO₂, поэтому обычно используется название МОП- транзисторы (металл — окисел — полупроводник). В современных МОП- транзисторах для изготовления затвора часто используется поликристаллический кремний.

Проводимость канала полевого транзистора может быть электронной или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то транзистор называют n-канальным. Транзисторы с каналами, имеющими дырочную про­водимость, называют p-канальными.  В МОП- транзисторах канал может быть обеднён носителями или обогащён ими. Таким образом, понятие «полевой транзистор» объединяет шесть различных видов полупроводниковых прибо­ров.

Применение МОП-транзисторов:

— в современной электро­нике.

— в цифровой электронике они почти полно­стью вытеснили биполярные транзисторы. Во-первых, полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивле­ние и обеспечивают малое потребление энергии. Во-вторых, МОП-транзисторы занимают на кристалле интегральной схемы значительно меньшую площадь, чем биполярные. Поэтому плотность компоновки элементов в МОП- интегральных схемах значительно выше. В-третьих,  технологии производства интегральных схем на МОП-транзисторах требуют меньшего числа операций, чем технологии изготовления ИС на биполярных транзисторах.

5.2. Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом

Структура полевого транзистора с каналом n-типа показана на рис. 22 а. На рис. 22, б приведено его условное графическое обозначение.

Канал между стоком и истоком формируется из слабо обогащённого по­лупроводника n-типа (1). Две области затвора содержат сильно обогащённый по­лупроводник p-типа (2).

Рис. 22 Структура полевого транзисторас каналом n-типа

Принцип действия полевого транзистора с управляющим p-n-переходом основан на изменении проводимости канала за счёт изменения его поперечного сечения.

1. Между стоком и истоком включается напряжение та­кой полярности Uси, чтобы основные носители заряда (электроны в канале n-типа) перемещались от истока к стоку.
2. Между затвором и истоком включено отрица­тельное управляющее напряжение Uзи, которое запирает p-n-переход. Чем больше это напряжение, тем шире запирающий слой и уже канал.
3. С уменьшением по­перечного сечения канала (штриховая линия) его сопротивление увеличивается, а ток в цепи сток-исток уменьшается.
4. Это позволяет управлять током стока с помощью напряжения затвор – исток Uзи.
5. При некоторой величине напряжения затвор-исток запирающий слой полностью перекрывает канал, что приводит к уменьшению проводимости канала. Напряжение Uзи, при котором перекрывается канал, называют  напряжением отсечки и обозначают Uотс. Для n-канального полевого транзистора напряжение отсечки отрицательно.

Рассмотрим вольт-амперные характеристики ПТ.

1. Входные характери­стики (зависимость входного тока затвора от напряженияUзи) у полевых транзисторов отсутствуют, так как входной ток равен нулю.
2. Выходные характеристики полевого транзистора (зависимость тока стока Iс от напряжения Uси) с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа показаны на рис. 23.

На выходной харак­теристике можно выделить три области:

— отсечки,

— линейную (триодную)

— насыщения.

1.В линейной области ВАХ представляют прямые, наклон которых зависит от напряжения затвор-исток Uзи. Минимальное сопротивление канала достигается, когда Uзи = 0, т.к. проводящая часть канала в этом случае имеет наибольшее сечение. Т.о., в линейной области ПТ можно использовать как резистор, сопротивление которого регулируется напряжением затвора.

2. В области насыщения ветви выходной характеристики расположены почти горизонтально. Это объясняется тем, что при увеличении напряжения сток-исток Uси область перекрытия канала вблизи стока расширяется и сопротивление канала увеличивается.

Рис. 23 Выходные характеристики полевого транзистора

В области насыщения полевой транзистор удобно моделировать передаточной характеристикой — зависимостью тока стока Iс от напряжения затвор-исток Uзи при постоянном напряжении сток-исток:

I с = f (Uзи )при     Uси = cоnst.

Передаточная характеристика n-канального полевого транзистора с управляющим p-n-переходом показана на рис. 24.

При нулевом напряжении на затворе ток стока имеет максимальное значение, которое называют начальным Iс.нач. При увеличении напряжения затвор – исток ток стока уменьшается  и при напряжении отсечки Uотс становится близким к нулю.

Рис. 24 Передаточная характеристика n-канального полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Приведем уравнения, которыми описываются характеристики полевого транзистора с управляющим  p-n-переходом.

Режим отсечки:

Линейный режим:

Режим насыщения:

Поведение p-канальных полевых транзисторов описывается такими же уравнениями. Следует учесть только, что для p-канальных ПТ напряжения имеют другую полярность, т. е. Uотс> 0, а Uси< 0.

Важным параметром полевого транзистора является крутизна характеристики, определяемая как отношение приращения тока стока ΔIс к приращению напряжения затвор-исток ΔUзи

Крутизна полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом может изменяется от 1-2 мА/В у маломощных приборов до единиц A/B у силовых транзисторов. Максимальное значение крутизна имеет при Uзи =0. С увеличением напряжения на затворе крутизна уменьшается и при Uзи = Uотс становится равной нулю.