В транзисторах этого типа затвор отделен от полупроводника слоем диэлектрика, в качестве которого в кремниевых приборах обычно используется двуокись кремния. Эти транзисторы обозначают аббревиатурой МОП (металл-окисел-полупроводник) и МДП (металл-диэлектрик-полупроводник). В англоязычной литературе их обычно обозначают аббревиатурой MOSFET или MISFET (Metal-Oxide (Insulator) -Semiconductor FET).
В свою очередь МДП-транзисторы делят на два типа.
В так называемых транзисторах со встроенным (собственным) каналом (транзистор обедненного типа) и до подачи на затвор имеется канал, соединяющий исток и сток.
В так называемых транзисторах с индуцированным каналом (транзистор обогащенного типа) указанный выше канал отсутствует.
МДП-транзисторы характеризуются очень большим входным сопротивлением. При работе с такими транзисторами надо предпринимать особые меры защиты от статического электричества. Например, при пайке все выводы необходимо закоротить.
МДП-транзистор со встроенным каналом.
Канал может иметь проводимость как p-типа, так и n-типа. Для определенности обратимся к транзистору с каналом p -типа. Дадим схематическое изображение структуры транзистора (рис. 1.97), условное графическое обозначение транзистора с каналом p-типа (рис. 1.98, а) и с каналом n-типа (рис. 1.98, б). Стрелка, как обычно, указывает направление от слоя p к слою n.
Рассматриваемый транзистор (см. рис. 1.97) может работать в двух режимах: обеднения и обогащения.
Режиму обеднения соответствует положительное uзи. При увеличении этого концентрация дырок в канале уменьшается (так как потенциал затвора больше потенциала истока), что приводит к уменьшению тока стока.
Приведем схему включения транзистора (рис. 1.99). 
На стока влияет не только uзи, но и между подложкой и истоком uпи. Однако управление по затвору всегда предпочтительнее, так как при этом входные токи намного меньше. Кроме того, наличие на подложке уменьшает крутизну.
Подложка образует с истоком, стоком и каналом p-n-переход. При использовании транзистора необходимо следить за тем, чтобы на этом переходе не смещало его в прямом направлении. На практике подложку подключают к истоку (как показано на схеме) или к точке схемы, имеющей потенциал, больший потенциала истока (потенциал стока в приведенной выше схеме меньше потенциала истока).
Изобразим выходные характеристики МДП-транзистора (встроенный p-канал) типа КП201Л (рис. 1.100) и его стокозатворную характеристику (рис. 1.101). 
МДП-транзистор с индуцированным (наведенным) каналом.
Канал может иметь проводимость как p-типа, так и n-типа. Для определенности обратимся к транзистору с каналом p-типа. Дадим схематическое изображение структуры транзистора (рис. 1.102), условное графическое обозначение транзистора с индуцированным каналом p -типа (рис. 1.103, а) и каналом n-типа (рис. 1.103, б). 
При нулевом напряжении uзи канал отсутствует (рис. 1.102) и стока равен нулю. Транзистор может работать только в режиме обогащения, которому соответствует отрицательное uзи. При этом uиз > 0.Если выполняется неравенство uиз>u из порог, где u из порог - так называемое пороговое напряжение, то между истоком и стоком возникает канал p-типа, по которому может протекать ток.
Канал p-типа возникает из-за того, что концентрация дырок под затвором увеличивается, а концентрация электронов уменьшается, в результате чего концентрация дырок оказывается больше концентрации электронов.
Описанное явление изменения типа проводимости называют инверсией типа проводимости, а слой полупроводника, в котором оно имеет место (и который является каналом), - инверсным (инверсионным). Непосредственно под инверсным слоем образуется слой, обедненный подвижными носителями заряда. Инверсный слой значительно тоньше обедненного (толщина инверсного слоя 1 · 10 – 9 …5 · 10 – 9 м, а толщина обедненного слоя больше в 10 и более раз).
Изобразим схему включения транзистора (рис. 1.104), выходные характеристики (рис. 1.105) и стокозатворную характеристику (рис. 1.106) для МДП-транзистора с индуцированным p-каналом КП301Б. 
Полезно отметить, что в пакете программ Micro-Cap II для моделирования полевых транзисторов всех типов используется одна и та же математическая модель (но, естественно, с различными параметрами).
Полупроводниковые приборы, работа которых основана на модуляции сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем, называют полевыми транзисторами. У них в создании электрического тока участвуют носители заряда только одного типа (электроны или дырки).
Полевые транзисторы бывают двух видов: с управляющим p-n-переходом и со структурой металл - диэлектрик - полупроводник (МДП-транзисторы).
Рис. 2.37. Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим (а); условные обозначения транзистора, имеющего канал n-типа (б) и р-типа (в); типовые структуры (г, д): структура транзистора с повышенным быстродействием (е)
Транзистор с управляющим p-n-переходом (рис. 2.37) представляет собой пластину (участок) из полупроводникового материала, имеющего электропроводность определенного типа, от концов которой сделаны два вывода - электроды стока и истока. Вдоль пластины выполнен электрический переход (p-n-переход или барьер Шотки), от которого сделан третий вывод - затвор.
Внешние напряжения прикладывают так, что между электродами стока и истока протекает электрический ток, а напряжение, приложенное к затвору, смещает электрический переход в обратном направлении. Сопротивление области, расположенной под электрическим переходом, которая носит название канала, зависит от напряжения на затворе. Это обусловлено тем, что размеры перехода увеличиваются с повышением приложенного к нему обратного напряжения, а увеличение области, обедненной носителями заряда, приводит к повышению электрического сопротивления канала.
Таким образом, работа полевого транзистора с управляющим p-n-переходом основана на изменении сопротивления канала за счет изменения размеров области, обедненной основными носителями заряда, которое происходит под действием приложенного к затвору обратного напряжения.
Электрод, от которого начинают движение основные носители заряда в канале, называют истоком, а электрод, к которому движутся основные носители заряда, называют стоком. Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим p-n-переходом приведена на рис. 2.37, а. Условные обозначения даны на рис. 2.37, б, в, а структуры выпускаемых промышленностью полевых транзисторов - на рис. 2.37, г - е.
Если в пластинке полупроводника, например n-типа, созданы зоны с электропроводностью p-типа, то при подаче на p-n-переход напряжения, смещающего его в обратном направлении, образуются области, обедненные основными носителями заряда (рис. 2.37, а). Сопротивление полупроводника между электродами истока и стока увеличивается, так как ток проходит только по узкому каналу между переходами. Изменение напряжения затвор - исток приводит к изменению размеров зоны объемного заряда (размеров ), т. е. к изменению сопротивления канала. Канал может быть почти полностью перекрыт и тогда сопротивление между истоком и стоком будет очень высоким (несколько - десятки ).
Напряжение между затвором и истоком, при котором ток стока достигает заданного низкого значения , называют напряжением отсечки полевого транзистора . Строго говоря, при напряжении отсечки транзистор должен закрываться полностью, но наличие утечек и сложность измерения особо малых токов заставляют считать напряжением отсечки то напряжение, при котором ток достигает определенного малого значения. Поэтому в технических условиях на транзистор указывают, при каком токе стока произведено измерение .
Ширина p-n-перехода зависит также от тока, протекающего через канал. Если , например (рис. 2.37, а), то ток , протекающий через транзистор, создаст по длине последнего падение напряжения, которое оказывается запирающим для перехода затвор - канал.
Рис. 2.38. Выходные характеристики полевого транзистора с управляющим его входная характеристика (6) и характеристика передачи (стокозатворная) (в): I - крутая область; II - пологая область, или область насыщения; III - область пробоя
Это приводит к увеличению ширины и соответственно к уменьшению сечения и проводимости канала, причем ширина p-n-перехода увеличивается по мере приближения к области стока, где будет иметь место наибольшее падение напряжения, вызванное током на сопротивлении канала . Так, если считать, что сопротивление транзистора определяется только сопротивлением канала, то у края p-n-перехода, обращенного к истоку, будет действовать напряжение , а у края, обращенного к стоку, - напряжение . При малых значениях напряжения и малом транзистор ведет себя как линейное сопротивление. Увеличение приводит к почти линейному возрастанию , а уменьшение - к соответствующему уменьшению . По мере роста характеристика все сильнее отклоняется от линейной, что связано с сужением канала у стокового конца. При определенном значении тока наступает так называемый режим насыщения (участок II на рис. 2.38, а), который характеризуется тем. что с увеличением ток меняется незначительно. Это происходит потому, что при большом напряжении канал у стока стягивается в узкую горловину. Наступает своеобразное динамическое равновесие, при котором увеличение и рост тока вызывают дальнейшее сужение канала и соответственно уменьшение тока . В итоге последний остается почти постоянным. Напряжение, при котором наступает режим насыщения, называется напряжением насыщения. Оно, как видно из рис. , меняется при изменении напряжения . Так как влияние на ширину канала у стокового вывода практически одинаково, то
Итак, напряжение отсечки, определенное при малом напряжении , численно равно напряжению насыщения при , а напряжение насыщения при определенном напряжении на затворе равно разности напряжения огсечки и напряжения затвор - исток.
При значительном увеличении напряжения стокового конца наблюдается пробой p-n-перехода.
В выходных характеристиках полевого транзистора можно выделить две рабочие области ОА и ОВ. Область ОА называют крутой областью характеристики, обласгь АВ - пологой или областью насыщения. В крутой области транзистор может быть использован как омическое управляемое сопротивление. В усилительных каскадах транзистор работает на пологим участке характеристики. За точкой В возникает пробой электрического перехода.
Входная характеристика полевою транзистора с управляющим -переходом (рис. 2.38,б) представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики -перехода. Хотя ток затвора несколько меняется при изменении напряжения и достигает наибольшего значения при условии короткого замыкания выводов истока и стока (ток утечки затвора ) - им в большинстве случаев можно пренебречь. Изменение напряжения не вызывает существенных изменений тока затвора, что характерно для обратного тока -переходa.
При работе в пологой области вольт-амперной характеристики ток стока при заданном напряжении 11ш определяют из выражения
где - начальный ток стока, под которым ток при и напряжении на стоке, превышающем напряжение насыщения: .
Так как управление полевым транзистором осуществляется напряжением на затворе, то для количественном оценки управляющего действия затвора используют крутизну характеристики
Крутизна характеристики достигает максимального значения при . Для определения значения S при любом напряжении продифференцируем выражение
При выражение (2.73) примет вид
Подставив (1.74) в выражение (1.73), получим .
Таким образом, крутизна характеристики полевого транзистора уменьшается при увеличении напряжения, приложенного к его затвору.
Начальное значение крутизны характеристики можно определить графоаналитическим способом. Для этого проведем касатетельную из точки к стокозатворной характеристике (рис. 2.38. в). Она отсечет на оси напряжений отрезок , и ее наклон определит значение .
Усилительные свойства полевых транзисторов характеризуются коэффициентом усиления
который связан с крутизной характеристики и внутренним сопротивлением уравнением , где - дифференциальное внутреннее сопротивление транзистора.
Действительно, в общем случае .
Если при одновременном изменении и , то , откуда
Так же как и у биполярных, у полевых транзисторов различают режимы большого и малого сигналов. Режим большого сигнала чаще всего рассчитывают с помощью входных и выходных характеристик транзистора и эквивалентной схемы рис. 2.39, а. Для анализа режима малого сигнала широко применяют малосигнальные эквивалентные схемы рис. 2.39, б-г (транзистор с каналом p-типа). Так как сопротивления закрытых переходов , в кремниевых полевых транзисторах велики (десятки - сотни МОм), их в большинстве случаев можно не учитывать. Для практических расчетов наиболее удобна эквивалентная схема рис. 2.39, г, хотя она значительно хуже отражает действительные физические процессы, протекающие в рассматриваемых транзисторах. Все емкости затвора на схеме заменены одной эквивалентной емкостью С„ которая заряжается через усредненное эквивалентное сопротивление .
Рис. 2.39. Упрощенная эквивалентная схема полевого транзистора с управляющим p-n-переходом для постоянного тока (а); малосигнальные эквивалентные схемы: полная (б), упрощенная (в), модифицированная (г).
Можно считать, что равно статическому сопротивлению в крутой области характеристик - сопротивление между стоком и истоком в открытом состоянии транзистора при заданном напряжении сток - исток, меньшем напряжения насыщения. Сопротивление затвора (омическое) отражено эквивалентным сопротивлением , которое ввиду его большого значения (десятки-сотни ) можно не учитывать.
Типовые значения параметров кремниевых транзисторов, входящих в эквивалентную схему: .
Емкости у полевого транзистора, а также конечная скорость движения носителей заряда в канале определяют его инерционные свойства. Инерционность транзистора в первом приближении учитывают путем введения операторной крутизны характеристики
где - предельная частота, определенная на уровне 0,7 статического значения крутизны характеристики.
При изменении температуры параметры и характеристики полевых транзисторов с управляющим изменяются из-за воздействия следующих факторов: изменения обратного тока закрытого p-n-перехода; изменения контактной разности потенциалов изменения удельного сопротивления канала.
Обратный ток у закрытого возрастает по экспоненциальному закону при увеличении температуры. Ориентировочно можно считать, что он удваивается при увеличении температуры на 6-8 С. Если в цепи затвора транзистора стоит большое внешнее сопротивление, то падение напряжения на нем, вызванное изменившимся током, может существенно изменить напряжение на затворе.
Контактная разность потенциалов уменьшается при увеличении температуры приблизительно на . При неизменном напряжении на затворе это приводит к увеличению тока стока. Для транзисторов с низким напряжением отсечки этот эффект является преобладающим и изменения тока стока будут иметь положительные значения.
Так как температурный коэффициент, характеризующий изменение удельного сопротивления канала, положителен, то ток стока при росте температуры уменьшается. Это открывает возможность правильным выбором положения рабочей точки транзистора взаимно компенсировать изменения тока , вызванные изменением контактной разности потенциалов и удельного сопротивления канала. В итоге ток стока будет почти постоянным в широком диапазоне температур.
Рабочую точку, в которой изменение гока стока с изменением температуры имеет минимальное значение, называют термостабильной точкой. Ее ориентировочное положение можно найти из уравнения
Из (2.78) видно, что при значительном крутизна характеристики в термостабильной точке невелика и от транзистора можно получить значительно меньший коэффициент усиления, чем при работе с малым напряжением.
Рис. 2.40. Включение полевого транзистора в схемы: а - с общим истоком; б - с общим стоком
Современные полевые транзисторы, выполненные на основе кремния, работоспособны до температуры 120-150 С. Их включение в схемы усилительных каскадов с общим истоком и общим стоком показано на рис. 2.40, а, б. Постоянное напряжение обеспечивает получение определенного значения сопротивления канала и определенный ток стока . При подаче входного усиливаемого напряжения потенциал затвора меняется, а соответственно изменяются токи стока и истока, а также падение напряжения на резисторе R.
Приращение падения напряжения на резисторе R при большом его значении значительно больше приращений входного напряжения. За счет этого осуществляется усиление сигнала. Ввиду малой распространенности включение с общим затвором не показано. При изменении типа электропроводности канала меняются только полярность приложенных напряжений и направление токов, в том числе и в эквивалентных схемах.
Основными премуществами полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом перед биполярными являются высокое входное сопротивление, малые шумы, простота изготовления, отсутствие в открытом состоянии остаточного напряжения между истоком и стоком открытого транзистора.
МДП - транзисторы могут быть двух типов: транзисторы с встроенными каналами (канал создается при изготовлении) и транзисторы с индуцированными каналами (канал возникает под действием напряжения, приложенного к управляющим электродам).
Транзисторы первого типа могут работать как в режиме обеднения канала носителями заряда, так и в режиме обогащения. Транзисторы второго типа можно использовать только в режиме обогащения. У МДП-транзисторов в отличие от транзисторов с управляющим p-n-переходом металлический затвор изолирован от полупроводника слоем диэлектрика и имеется дополнительный вывод от кристалла, на котором выполнен прибор (рис. 2.41), называемый подложкой.
Рис. 2.41. Структуры МДП-транзистора: а - планарный транзистр с индуцированным каналом. б - планарный транзистор со встроенным каналом; , транзистр - и .
Рис. 2.42. Распределение носителей заряда в приповерхностном слое
Управляющее напряжение можно подавать как между затвором и подложкой, так и независимо на подложку и затвор. Под влиянием образующегося электрического поля у поверхности полупроводника появляется канал -типа за счет отталкивания электронов от поверхности в глубь полупроводника в транзисторе с индуцированным каналом. В транзисторе с встроенным каналом происходит расширение или сужение имевшегося канала. Изменение управляющего напряжения меняет ширину канала и соответственно сопротивление и ток транзистора.
Существенным преимуществом МДП-транзисторов является высокое входное сопротивление, достигающее значений Ом (у транзисторов с управляющим -переходом Ом).
Рассмотрим несколько подробнее работу МДП-транзистора с индуцированным -каналом. Пусть в качестве исходного материала транзистора использован кремний, имеющий электропроводность -типа. Роль диэлектрической пленки выполняет диоксид кремния . При отсутствии смещения приповерхностный слой полупроводника обычно обогащен электронами (рис. 2.42, а). Это объясняется наличием положительно заряженных ионов в пленке диэлектрика, что является следствием предшествующего окисления кремния и фотолитографической его обработки, а также присутствием ловушек на границе . Напомним, что ловушки представляют собой совокупность энергетических уровней, расположенных глубоко в запрещенной зоне, близко к ее середине.
При подаче на затвор отрицательного напряжения электроны приповерхностного слоя отталкиваются в глубь полупроводника, а дырки движутся к поверхности. Приповерхностный слой приобретает дырочную электропроводность (рис. 2.42, б). В нем появляется тонкий инверсный слой, соединяющий сток с истоком. Этот слой играет роль канала. Если между истоком и стоком приложено напряжение, то дырки, перемещаясь по каналу, создают ток стока. Путем изменения напряжения на затворе можно расширять или сужать канал и тем самым увеличивать или уменьшать ток стока.
Напряжение на затворе, при котором индуцируется канал, называют пороговым напряжением . Так как канал возникает постепенно, по мере увеличения напряжения на затворе, то для исключения неоднозначности в его определении обычно задается определенное значение тока стока, при превышении которого считается, что потенциал затвора достиг порогового напряжения .
По мере удаления от поверхности полупроводника концентрация индуцированных дырок уменьшается. На расстоянии, приблизительно равном толщине канала, электропроводность становится собственной. Затем идет участок, обедненный основными носителями заряда (-переход). Благодаря ему сток, исток и канал изолированы от подложки; -переход смещен приложенным напряжением в обратном направлении. Очевидно, что его ширину и ширину канала можно изменять за счет подачи на подложку дополнительного напряжения относительно электродов стока и истока транзистора. Следовательно, током стока можно управлять не только путем изменения напряжения на затворе, но и за счет изменения напряжения на подложке. В этом случае управление МДП-транзистором аналогично управлению полевым транзистором с управляющим -переходом. Для образования канала на затвор должно быть подано напряжение, большее .
Толщина инверсного слоя значительно меньше толщины обедненного слоя. Если последний составляет сотни - тысячи нм, то толщина индуцированного канала составляет всего 1-5 нм. Другими словами, дырки индуцированного канала «прижаты» к поверхности полупроводника, поэтому структура и свойства границы полупроводник - диэлектрик играют в МДП-транзисторах очень важную роль.
Дырки, образующие канал, поступают в него не только из подложки -типа, где их мало и генерируются они сравнительно медленно, но также и из слоев -типа истока и стока, где их концентрация практически неограниченна, а напряженность поля вблизи этих электродов достаточно велика.
В транзисторах с встроенным каналом ток в цепи стока будет протекать и при нулевом напряжении на затворе. Для прекращения его необходимо к затвору приложить положительное напряжение (при структуре с каналом -типа), равное или большее напряжения отсечки . При этом дырки из инверсного слоя будут практически полностью вытеснены в глубь полупроводника и канал исчезнет. При приложении отрицательного напряжения канал расширяется и ток увеличивается. Таким образом. МДП-транзисторы с встроенными каналами работают как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения.
Рис. 2.43. Структура МДП-транзистора с измененной шириной канала при протекании тока (а); его выходные характеристики с индуцированным (б) и встроенным (в) каналами: I крутая область; II - пологая область, или область насыщения; III - область пробоя; 1 - обеденный слой
Как и полевые транзисторы с управляющим -переходом, МДП-транзисторы при малых напряжениях (в области рис. 2.43, б, в) ведут себя подобно линеаризованному управляемому сопротивлению. При увеличении напряжения ширина канала уменьшается вследствие падения на нем напряжения и изменения результирующего электрического поля. Это особенно сильно проявляется в той части канала, которая находится вблизи стока (рис. 2.43, а). Перепады напряжения, создаваемые током , приводят к неравномерному распределению напряженности электрического поля вдоль канала, причем оно увеличивается по мере приближения к стоку. При напряжении канал вблизи стока становится настолько узким, что наступает динамическое равновесие, когда увеличение напряжения вызывает уменьшение ширины канала и повышение его сопротивления. В итоге ток мало меняется при дальнейшем увеличении напряжения . Эти процессы изменения ширины канала в зависимости от напряжения такие же, как и в полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом.
Выходные характеристики МДП-транзисторов аналогичны характеристикам полевых транзисторов с управляющим (рис. 2.43, б, в). В них можно выделить крутую и пологую области, а также область пробоя. В крутой области МДП-транзистор может работать как электрически управляемое сопротивление. Пологая область II обычно используется при построении усилительных каскадов. Аналитические аппроксимации вольт-амперных характеристик МДП-транзисторов не очень удобны и мало применяются в инженерной практике. При ориентировочных оценках тока стока в области насыщения можно использовать уравнение
Для транзисторов с встроенным каналом можно использовать уравнения (2.79), если заменить и учитывать знаки напряжений и .. Они характеризуют параметры полевого транзистора, который при заданном режиме измерения представлен эквивалентной схемой рис. 2.44, д. Она хуже отражает особенности транзистора, но ее параметры известны или легко могут быть измерены (входная емкость , проходная емкость , выходная емкость ).
Операторное уравнение крутизны характеристики МДП-транзисторов имеет тот же вид, что и для полевых транзисторов с управляющим При этом постоянная времени . В типовом случае при длине канала 5 мкм предельная частота, на которой крутизна характеристики уменьшается в 0,7 раза, лежит в пределах нескольких сотен мегагерц.
Температурная зависимость порогового напряжения и напряжения отсечки обусловлена изменением положения уровня Ферми, изменением объемного заряда в обедненной области и влиянием температуры на значение заряда в диэлектрике. У МДП-транзисторов также можно найти термостабильную рабочую точку, в которой ток стока мало зависит от температуры. У разных транзисторов значение тока стока в термостабильной точке находится в пределах . Важным преимуществом МДП-транзисторов перед биполярными является малое падение напряжения на них при коммутации малых сигналов. Так, если в биполярных транзисторах в режиме насыщения напряжение
При уменьшении оно может быть сведено до значения, стремящегося к нулю. Так как широкое распространение получили МДП-транзисторы с диэлектриком из диоксида кремния , то в дальнейшем будем их называть МОП-транзисторами.
В настоящее время промышленность также выпускает МОП-транзисторы с двумя изолированными затворами (тетродные), например . Наличие второго затвора позволяет одновременно управлять током транзистора с помощью двух управляющих напряжений, что облегчает построение различных усилительных и умножительных устройств. Характеристики их аналогичны характеристикам однозатворных полевых транзисторов, только количество их больше, так как они строятся для напряжения каждого затвора при неизменном напряжении на другом затворе. Соответственно различают крутизну характеристики по первому и второму затворам, напряжение отсечки первого и второго затворов и т. д. Подача напряжений на затворы ничем не отличается от подачи напряжения на затвор однозатворного МОП-транзистора.
Должно превышать пороговое. В противном случае канал не появится и транзистор будет заперт.
50. Основные свойства, характеристики и типы полевых транзисторов.
Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток создаётся только основными носителями зарядов под действием продольного электрического поля, а управление этим током осуществляется поперечным электрическим полем, которое создаётся напряжением, приложенным к управляющему электроду (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Устройство полевого транзистора: а – с n-каналом; б – с p-каналом
Поэтому полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналом р-типа или n-типа. Условное графическое изображение полевого транзистора приведено на рис. 2.2, с каналом n-типа и р-типа соответственно.
|
|
Следовательно можно сделать вывод, что полевой транзистор представляет собой управляемый полупроводниковый прибор, так как, изменяя напряжение на затворе, можно уменьшать ток стока, и поэтому принято говорить, что полевые транзисторы с управляющими р-n переходами работают только в режиме обеднения канала.
2.2. Характеристики и параметры полевых транзисторов
К основным характеристикам полевых транзисторов относятся:
· стокозатворная характеристика – это зависимость тока стока I С от напряжения на затворе U ЗИ (рис. 2.4, а );
· стоковая характеристика – это зависимость I С от U СИ при постоянном напряжении на затворе (рис. 2.4, б )
I С = f (U СИ), при U ЗИ = const.
Рис. 2.4. Характеристики полевых транзисторов с управляющим p-n переходом:а – стокозатворная (входная); б – стоковая (выходная)
Основные параметры полевых транзисторов:
· напряжение отсечки;
· крутизна стокозатворной характеристики. Она показывает, на сколько миллиампер изменится ток стока при изменении напряжения на затворе на 1 В (рис. 2.4, а )
QUOTE S=∆Ic∆U зи , при U СИ = const,
;
· внутреннее (или выходное) сопротивление полевого транзистора (рис. 2.4, б )
При U ЗИ = const;
· входное сопротивление
.
Так как на затвор подаётся только запирающее напряжение, то ток затвора будет представлять собой обратный ток закрытого p-n перехода и будет очень мал. Величина входного сопротивления R вх будет очень велика и может достигать 10 9 Ом.
Полевые транзисторы с изолированным затвором
2.3.2. Транзисторы с индуцированным каналом
Данные приборы имеют затвор в виде металлической плёнки, которая изолирована от полупроводника слоем диэлектрика, в виде которого применяется окись кремния. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором называют МОП и МДП. Аббревиатура МОП расшифровывается как металл, окись, полупроводник, а МДП расшифровывается как металл, диэлектрик, полупроводник.
МОП-транзисторы могут быть двух видов:
· транзисторы со встроенным каналом;
· транзисторы с индуцированным каналом.
Их графические обозначения приведены на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Графическое обозначение МОП-транзисторов:а – со встроенным каналом n-типа; б – со встроенным каналом p-типа; в – с индуцированным каналом n-типа; г – с индуцированным каналом p-типа
2.3.1. Транзистор со встроенным каналом
Структура полевого транзистора со встроенным каналом приведена на рис. 2.6, а . Основой такого транзистора является кристалл кремния р- или n-типа проводимости.
Рис. 2.6. МОП-транзистор со встроенным каналом: а – структура транзистора со встроенным каналом n-типа; б – стокозатворная характеристика
Полевым транзистором называется полупроводниковый усилительный прибор, сопротивление которого может изменяться под действием электрического поля. Изменение сопротивления достигается изменением удельного электрического сопротивления слоя полупроводника или изменением объема полупроводника, по которому проходит электрический ток.
В работе полевых транзисторов используются различные эффекты, такие, как изменение объема р -п -перехода при изменении действующего на нем запирающего напряжения; эффекты обеднения, обогащения носителями зарядов или инверсии типа проводимости в приповерхностном слое полупроводника. Полевые транзисторы иногда называют униполярными , потому что ток, протекающий через них, обусловлен носителями только одного знака. Полевые транзисторы еще называют канальными транзисторами, поскольку управляющее работой транзистора электрическое поле проникает в полупроводник относительно неглубоко, и все процессы протекают в тонком слое, называемом каналом .
Управляющая цепь полевого транзистора практически не потребляет ток и мощность. Это позволяет усиливать сигналы от источников, обладающих очень большим внутренним сопротивлением и малой мощностью. Кроме того, это дает возможность размещать сотни тысяч транзисторов на одном кристалле микросхемы.
Полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом
Полевой транзистор может быть изготовлен в виде пластинки полупроводника (с п- или р -проводимостью), в одну из поверхностей которой вплавлен слой металла, называемый затвором , образующий плоский р-п -переход (рис. 5.1). К нижнему и верхнему торцам пластинки присоединяются выводы, называемые соответственно истоком и стоком. Если на затвор подается напряжение запирающей полярности (положительное на п -затвор и отрицательное на р -затвор), то в зависимости от его значения в канале (р-п -переходе) возникает обедненный носителями заряда слой, являющийся практически изолятором.
Изменяя напряжение на затворе от нуля до некоторого достаточно большого напряжения, называемого напряжением отсечки (напряжением запирания , или пороговым напряжением , см. рис. 5.6), можно так расширить объем полупроводника, занимаемого р-п -переходом, что он займет весь канал и перемещение носителей заряда между истоком и стоком станет невозможным. Транзистор полностью закроется (рис. 5.2).
В отличие от биполярных транзисторов, управляемых током, полевые транзисторы управляются напряжением, и, поскольку это напряжение приложено к управляющему р-п -переходу в обратной (запирающей) полярности, то ток в цепи управления практически не протекает (при напряжении 5 В ток управления не превышает 10 -10 А).
Полевые транзисторы с изолированным затвором
полевые транзисторы с индуцированным каналом
На рис. 5.3 показано устройство полевого транзистора с изолированным затвором, называемого МДП-транзистором . Это название обусловлено конструкцией: затвор выполнен из металла (М) и отделен тонким слоем диэлектрика (Д) от полупроводника (П), из которого сделан транзистор. Если транзистор изготовлен из кремния, то в качестве диэлектрика используется тонкая пленка оксида кремния. В этом случае название изменяется на МОП-транзистор (металл-оксид-полупроводник).Показанный на рис. 5.3 слева транзистор изготовлен на основе пластинки (подложки , или основания ) из кремния с р -проводимостью. На поверхности пластинки диффузионным способом получены две области с п -проводимостью (исток и сток), разделенные областью п -канала, имеющей преобладающую р -проводимость. Вследствие этого при подаче на транзистор напряжения ток между истоком и стоком протекать не будет, ибо переходы сток-основание и исток-основание образуют два встречно включенных р‑п‑ перехода, один из которых будет закрыт при любой полярности приложенного напряжения.
Однако, если на поверхностный слой р -полупроводника подействовать достаточно сильным электрическим полем, приложив между затвором и основанием напряжение положительной полярности, то между истоком и стоком начнет протекать ток. Это объясняется тем, что из приповерхностного слоя полупроводника, расположенного под затвором, электрическим полем будут оттесняться дырки и собираться электроны, образуя канал (с п -проводимостью, показанный на рис. 5.3 пунктирной линией), вследствие чего р‑п‑ переходы исток-канал и канал-исток перестанут существовать. Проводимость п‑ канала будет тем больше, чем больше напряжение, приложенное между затвором и основанием.
Транзистор рассмотренной конструкции называется МДП-транзистором с индуцированным каналом.
Основание обычно соединяется с истоком, но иногда напряжение на него подается отдельно, и тогда основание играет роль дополнительного затвора.
Если основание выполнено из п -кремния, исток и сток образованы сильно легированными областями с р‑ проводимостями, а в качестве изолятора используется оксид кремния, то получается МОП-транзистор с индуцированным р‑каналом (с проводимостью р ) (рис. 5.3 справа).
полевые транзисторы со встроенным каналом
МОП-транзисторы могут быть выполнены со встроенным каналом. Например, на рис. 5.4 слева приведена схема устройства такого транзистора с п -каналом. Основание выполнено из р -кремния, а исток и сток имеют п -проводимость и получены диффузионным способом. Исток и сток соединены сравнительно тонким каналом с незначительной р‑ проводимостью.
Если основание сделано из п -кремния, а исток и сток - из р -кремния, то транзистор имеет встроенный р-канал (рис. 5.4 справа).
Работу п -канального МОП-транзистора можно пояснить так. Если на затвор подано отрицательное (относительно основания) напряжение, то электроны проводимости вытесняются из п -канала в основание, и проводимость канала уменьшается, вплоть до полного обеднения и запирания канала.
При подаче на затвор положительного напряжения п -канал обогащается электронами, и проводимость его увеличивается (рис.5.6).
Классификация и характеристики полевых транзисторов
Полевые транзисторы бывают обедненного и обогащенного типа. К первым относятся все транзисторы с р‑п -переходом и п -канальные МОП-транзисторы обедненного типа. МОП-транзисторы обогащенного типа бывают как п -канальными, так и р -канальными (рис. 5.5).Транзисторы обогащенного и обедненного типа отличаются только значением так называемого порогового напряжения , получаемого экстраполяцией прямолинейного участка характеристики (рис. 5.6.).
Выходными характеристиками полевого транзистора называются зависимости тока стока от напряжения сток-исток для различных значений напряжения затвор-исток.
Полевой транзистор является очень хорошим прибором с точки зрения выходной проводимости - при постоянном напряжении затвор-исток ток стока почти не зависит от напряжения (за исключением области малых напряжений сток-исток). На рис. 5.7 показаны типичные зависимости i с от u си для ряда значений u зи.История создания и реализации полевых транзисторов
Первый полевой транзистор был изобретен Юлий Эдгаром Лилиенфельдом – австро-венгерским ученым-физиком, посвятившим большую часть жизни изучению транзисторного эффекта. Случилось это в 1928 году, однако первая технология изготовления транзисторов не позволяла физически реализовать этот радиоэлемент в промышленности. Первый работающий полевой транзистор с изолированным затвором, согласно трудам Лилиенфельда, произвели в США лишь в 1960 году. За 7 лет до этого была предложена другая технология изготовления полевого транзистора на базе управляющего p-n перехода (МОП транзистор). На основе трудов Вальтера Шоттки в 1966 году американский инженер Карвер Андресс Мид предложил новый тип транзисторов с использованием барьера Шоттки.
В 1977 году было установлено, что применение полевых транзисторов в вычислительной технике значительно повышает расчетные мощности электронных устройств, что положило начало разработок компьютерных процессоров и логических микросхем на основе полевого транзистора. Более корректным названием полевого транзистора является униполярный транзистор (управляемый одним электрическим полем), однако в народе это название не прижилось.
Физические основы работы полевого транзистора
Полевым (униполярным) транзистором называют электронное устройство, в основе которого лежит принцип использования зарядов только одного знака, т.е. электронов или дырок. Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала под действием электрического поля, а не потенциала напряжения, что является основным отличием полевого транзистора от биполярного. По способу создания канала различают полевые транзисторы с p-n переходом, встроенным каналом и индуцированным каналом. Транзисторы с встроенным и индуцированным каналом так же относятся к разновидности МДП транзисторов.
Устройство полевого транзистора
а – с p-n переходом; б – с изолированным затвором и встроенным каналом; в – с изолированным затвором и индуцированным каналом.Работа полевых транзисторов основана на движении основных носителей в полупроводнике.
Полевой транзистор с p-n переходом.
Данный транзистор состоит из основного канала полупроводника n-типа, изготовленного из пластины кремния с омическими выводами с каждого конца. Канал образован методом диффузии (введением легированного материала) и образует тончайший слой с дырочной проводимостью. Канал заключен между двумя электродами p-типа, соединенными между собой. Таким образом, n-канал образует два p-n перехода, расположенных параллельно направлению тока. Вывод, через который поступают носителя заряда, называют истоком (И), а электрод, откуда заряд вытекает – стоком (С). Оба p-слоя электрически связаны между собой и имеют внешний электрод, называемый затвором (З). Существуют два типа канала. Положительный заряд протекает через канал с p проводимостью, а отрицательный заряд проходит через канал с n проводимостью. На рисунке ниже представлен полевой канал с отрицательной проводимостью, управляемый полем положительной полярности. В данном случае через канал от истока к стоку передвигаются электроны. Подобную конструкцию имеют и полевые транзисторы с каналом p типа.
Управляющее или входное напряжение (Uзи) подается между затвором и истоком. Это напряжение для обоих p-n переходов является обратным. В выходную цепь, в которую так же входит канал транзистора, подключается напряжение Uси положительным полюсом к стоку.
Способность управления транзистором объясняется тем фактором, что при изменении напряжения Uзи будет изменяться ширина p-n переходов, которые представляют собой участки в полупроводнике, которые обеднены носителями заряда. Так как p-слой c меньшим сопротивлением имеет большую концентрацию примесей по сравнению с n-слоем, то управление изменением ширина канала происходит за счет более высокоомного n-слоя. При этом изменяется сечение, и проводимость токопроводящего канала (Ic – ток стока) от истока к стоку.
Особенность работы полевого транзистора заключается во влиянии напряжения Uзи и Uси на проводимость канала. Влияние подводимых напряжений отображает рисунок ниже.
На рисунке:
А) напряжение прикладывается только к входной управляющей цепи. Изменение Uзи управляет сечением канала по всей ширине, однако, выходной ток Ic=0 из-за отсутствия напряжения Uси.
Б) Присутствует только напряжение канала, управляющее напряжение отсутствует и начинает протекать ток Ic. Создается падение напряжения на стоковом электроде, в результате пропускная способность канала сужается и при некотором значении границы p-n переходов смыкаются. Повышается внутреннее сопротивление канала и ток Ic далее не способен проходить.
В) В этом варианте на рисунке показано суммарное значение напряжений, когда канал напряжения Uси заперт малым управляющим напряжением Uзи. При подаче этого напряжения происходит расширение n области и начинает протекать ток Ic.
Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП и МОП)
В этих транзисторах затворный электрод отделен от канала тонким изолирующим слоем из окиси кремния. Отсюда другое название этих транзисторов – МОП-транзисторы (структура металл – окисел - полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов. Проникновения управляющего поля в канал не затруднено, но ток затвора сильно уменьшается и не зависит от полярности приложенного напряжения к затвору. МДП-транзисторы (структура металл – диэлектрик - полупроводник) выполняют из кремния. Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.
Каналы полевых МДП транзисторов могут быть обедненного (б - встроенный канал) и обогащенного типа (в - индуцированный канал), (см. рисунок устройства полевого транзистора).
По встроенному каналу течет ток Iс при отсутствии напряжения Uзи. Его значением можно управлять в сторону уменьшения, подав положительное напряжение Uзи, если транзистор с p-каналом и отрицательное напряжение, если транзистор с n-каналом. Другими словами – закрыть транзистор управляющим обратным напряжением.
В индуцированном канале, если отсутствует напряжение Uзи ток между стоком и истоком очень мал. При подаче управляющего напряжения ток Iси увеличивается.
Итак, управляющее напряжение при его подаче на затвор транзистора с встроенным каналом – закрывает транзистор, в индукционном канале - открывает транзистор.
Вольт - амперная и сток - затворная характеристики полевого транзистора
ВАХ полевого транзистора определяет его выходные (стоковые) характеристики, а так же содержит информацию о его свойствах в различных режимах работы. Кроме того ВАХ отображает связь параметров между собой. По графику можно определить некоторые параметры, не документированные в описании к транзистору, произвести расчеты уровня напряжения цепей смещения (Uзи), стабилизацию режима, а так же дать оценку работы полевого транзистора в широком диапазоне токов и напряжений.
На рисунке слева показан пример стоковой характеристики полевого транзистора с p-n переходом и каналом p-типа при различных фиксированных управляющих напряжениях Uзи. Графики отображают зависимость тока стока (Ic) от напряжения сток – исток (Uси). На каждой из этих кривых присутствуют 3 характерные области:
1. Сильная зависимость тока Ic от напряжения Uси (участок до штрих - пунктирной линии). Эта часть определяет период насыщения канала до напряжения Uси нас, при котором транзистор переходит в закрытое (открытое) состояние. Чем выше управляющее напряжение смещения Uзи, тем раньше закроется (откроется) полевой транзистор.
2. Слабая зависимость тока Ic, когда канал насыщается до своего максимального значения и переходит в постоянно закрытое (открытое) состояние.
3. В момент, когда напряжение Uси превышает предельно допустимое для полевого транзистора, наступает необратимый электрический пробой p-n перехода. Полевой транзистор при этом выходит из строя.
Сток-затворная характеристика показывает зависимость Ic от напряжения между затвором и истоком.
Напряжение на затворе, при котором ток стока стремится к нулю, является очень важной характеристикой полевого транзистора. Оно соответствует напряжению запирания прибора по цепи затвора и называется напряжением запирания или напряжением отсечки.
Условные графические изображения полевых транзисторов в электрических схемах выглядят следующим образом.
Где полевой транзистор:
а – с p-n переходом и p-каналом;
б - с p-n переходом и n-каналом;
в – со встроенным p-каналом обедненного типа;
г – со встроенным n-каналом обедненного типа;
д – с индуцированным p-каналом обогащенного типа;
е – с индуцированным n-каналом обогащенного типа;
ж – p-типа (в) и выводом от подложки;
з – p-типа (д) и выводом от подложки
Европейское обозначение контактов: gate – затвор, drain – сток, source – исток, tab – подложка (зачастую в неизолированных транзисторах является стоком).
Основные технические характеристики полевого транзистора
Современные полевые транзисторы характеризуются основными характеристиками, температурными характеристиками и электрическими характеристиками при температуре до +25 градусов на подложке (истоке). Кроме того, существуют статические и динамические характеристики полевых транзисторов, определяющие максимальные показатели при их применении в частотных сигналах. На частотные характеристики следует обращать особое внимание при использовании транзисторов в генераторах, модуляторах, импульсных блоках питания, современных цифровых усилителях класса D и выше. Частотные свойства определяются постоянной времени RC-цепи затвора, определяющей скорость запирания / отпирания канала. У полевых транзисторов с изолированным затвором (МОП и МДП) входная емкость значительно меньше полевых транзисторов с p-n переходом, что дает возможность применять их в высокочастотной аппаратуре.
К основным характеристикам полевых транзисторов относятся:
Vds (Vdss) или Uси max – определяет максимально допустимое значение напряжения между истоком и стоком;
Id или Ic – максимально допустимый ток стока, проходящий через открытый канал транзистора;
Rdc(on) – сопротивление канала между затвором и истоком (обычно указывается совместно с управляющим напряжением Uзи или Vgs).
Iз ут или Igss – ток утечки затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой.
Pd или Pmax – максимальная рассеиваемая мощность транзистора при температуре, как правило, +25 градусов.
Тепловые параметры полевого транзистора определяют устойчивость его характеристик при работе в диапазоне температур, так как при изменении температуры свойства полупроводниковых материалов изменяются. От температуры сильно зависит значение Ic , крутизны и тока утечки затвора.
Tj или Тmax – температура разрушения кристалла подложки, соответствующая максимально допустимой рабочей температуре
Tstg или Тmin – минимальная отрицательная температура, при которой соблюдаются основные паспортные параметры транзистора
Отличительной особенностью работы полевых транзисторов в сравнении с биполярными является очень низкий коэффициент шума или Кш. Данный коэффициент мало влияет от напряжений сток – исток, тока стока, а так же температуры работы транзистора (до +50 градусов).
1. Не рекомендуется снижать температуру полевых транзисторов во время их работы ниже -5 градусов, а так же выходи за пределы рабочей температуры +60 +70 градусов (в народе - температура удержания пальца).
2. Во время эксплуатации необходимо выбирать рабочие напряжения и токи, которые не будут превышать 70% от максимально допустимых параметров по паспорту (даташиту).
3. Нельзя использовать транзисторы в максимальных режимах по двум параметрам одновременно.
4. Не допускать работу транзистора с отключенным затвором.
5. На затвор полевых транзисторов с p-n переходом нельзя подавать напряжение, смещающее переход в прямом направлении. Для p-канальных это будет отрицательное напряжение, для n-канальных – положительное.
6. Хранение полевых МОП и МДП транзисторов желательно производить с закороченными выводами. Маломощные транзисторы частотные транзисторы этой структуры выходят из строя от статического напряжения.
7. Проверить исправность полевого транзистора электронным тестером можно по аналогии с этим видео
http://www.youtube.com/watch?v=jQ6l6C8LMSw
