Лекция 10 Полевые транзисторы с упр. p-n

1
ЛЕКЦИЯ 10. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С УПРАВЛЯЮЩИМ p-n-ПЕРЕХОДОМ
1. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПОЛЕВОГО
ТРАНЗИСТОРА
Полевой транзистор (ПТ) с управляющим р–n-переходом имеет низколегированный
проводящий канал с двумя омическими переходами (контактами). С одного из них – истока в канал – инжектируются основные носители (монополярная инжекция), с другого –
стока носители заряда – выходят во внешнюю электрическую цепь. Для протекания тока
по каналу между истоком и стоком необходимо за счет внешнего источника питания создать разность потенциалов Uис. Канал имеет длину а в направлении протекания тока и
соответственно ширину b в направлении, перпендикулярном току. Перпендикулярно
направлению тока изготавливается один или два управляющих р–n-перехода (затвора).
Затвор всегда высоколегирован и имеет проводимость противоположного типа по сравнению с типом проводимости канала. Каждый затвор имеет омический переход (контакт).
Потенциал затвора относительно истока может быть нулевым (затвор соединен с истоком)
или обратно смещающим управляющий р–n-переход (для этого между затвором и истоком включается источник питания Uз). Полевые транзисторы могут отличаться типом
проводимости канала. Изготавливаются транзисторы с каналом n-или р–типа. На рис.1
приведены структуры ПТ с одним (рис.1,а) и двумя затворами (рис.1,б) и условные обозначения ПТ с управляющим p–n-переходом и каналом n-типа (рис.1,в) и p-типа (рис.1,г).
исток
сток
+Uс
Al
0
n - канал
n+
SiO2
p+
n - канал
n+
Si p - типа
Al
-Uз
а)
с
з
Si p - типа
затвор
с
з
и
в)
исток затвор 1 сток
+Uс
0
Al -Uз
SiO2
1
и
г)
Al -Uз2
б)
затвор
2
Рис.1. Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом: а) однозатвоные;
б) двузхатворные. Условное обозначение
полевого транзистора с каналом: в) n-типа;
г) p-типа
2
полупроводник полупроводник
n - типа
р+ - типа
р-n - переход
(диэлектрик)
затвор
Iс
исток
 
Uзи
а)
U
Ucи2
движение
электронов
сток
канал
 
Uси
Uк2(х)
Uк1(х)
Ucи1
Uзк(х1)<0
б)
Uзи0=0
x1
Uзи1<Uзи0
x
Рис.2. Полевой транзистора с р-n - переходом: а) схематическое изображение; б) распределение потенциала вдоль канала
обратносмещенный
обратносмещенный
p–n-переход
p–n-переход
затвор р+ - типа
затвор р+ - типа
канал n - типа
+
ΔUзс(х1)
−
dn
h
dn
l
Рис. 3. Зонная диаграмма двухзатворного полевого
транзистора в сечении x1
3
Для управления током стока Iс необходимо изменять проводимость канала, изменяя его
ширину. На рис.2 приведена схема двухзатворного полевого транзистора с каналом nтипа, а на рис.3 – зонная диаграмма в сечении х1. Из рис.3 видно, что ширина канала
h = l − 2dn, где l – расстояние между двумя областями затвора, а dn – толщина р-n - перехода в канале. Для перекрытия канала используют свойство обратносмещенного р-n - перехода изменять толщину dn под действием разности потенциалов Uзк(х):
2(0  U зк ( x)) 0  1 

 ; здесь φ0 – контактная разность потенциалов, Uзк(х) –
N
d


напряжение на управляющем р-n - переходе в сечении х, ε – относительная диэлектрическая проницаемость, ε0 – диэлектрическая постоянная, q – элементарный заряд, а Nd –
концентрация донорных примесей в канале n - типа. Концентрация акцепторных примесей
Na в высоколегированном затворе р+-типа много больше концентрации донорных примесей, поэтому р–n-переход в основном располагается со стороны канала. Малая толщина
d n ( x) 
q
обедненной области в затворе d P 
2(0  U зк ) 0  1 
q

 позволяет использовать тонкие
 Na 
затворы.
Управляющий р-n - переход, обратносмещенный напряжением Uзк(х) = Uк(х) − Uзи,
образует обедненный носителями слой, который распространяясь в проводящий канал,
эффективно ограничивает его ширину (рис.2). Если напряжение на стоке невелико
Ucи1<Uc нас, где Uc нас – напряжение, при котором канал перекрыт у стока, то распределение
Uк1(х) можно в первом приближении считать линейным (толстая наклонная линия на
рис.3). Предположим, что Uзк=0 (толстая горизонтальная линия на рис.2), тогда разность
потенциалов Uзк(х) изменяется линейно, увеличиваясь от нуля в области истока до Ucи1 в
районе стока. Самое узкое место канала расположено не точно на стоке, а вблизи него в
сечении х1, это связано с геометрией затворов и краевыми эффектами вблизи электрода
стока.
Увеличивая напряжение на стоке до Uc нас, можно перекрыть канал вблизи стока. При
этом сопротивление канала rк(х) будет изменяться вдоль х, достигая максимального значения в сечении х1. Распределение потенциала Uк2(х) будет изменяться нелинейно (штриховая наклонная линия на рис.2). Максимальная напряженность продольного (вдоль оси х
канала) электрического поля будет сосредоточена в самой узкой части канала. За счет
электрического дрейфа электроны преодолеют перекрытую часть канала и достигнут стока. При дальнейшем увеличении напряжения на стоке перекрытая часть канала распространяется в сторону истока. Сопротивление канала rк увеличивается почти пропорционально увеличению Ucи, и ток Iс изменяется слабо.
Увеличение напряжения стока до Uc проб приводит к лавинному пробою обратносмещенного p–n-перехода затвор – канал в районе стока. Этот пробой является обратимым,
если не произойдет теплового разрушения транзистора.
Более эффективно проводимостью канала можно управлять, изменяя напряжение на
затворе с уменьшением Uзи1<Uзи0 (штриховая горизонтальная линия на рис.2) изменяется
разность потенциалов Uзк и соответственно ширина канала вдоль всего канала, при этом
ток стока Iс уменьшается вначале пропорционально уменьшению Uзи, а затем при напряжении Uзи,< Uотс (напряжения отсечки) уменьшается почти до нуля.
Токи, текущие через обратносмещенные затворы, на несколько порядков меньше тока
стока, а напряжения на затворе по абсолютной величине меньше или порядка напряжения
на стоке, поэтому управлять током стока путем изменения напряжения на затворе энергетически выгоднее, чем изменением напряжения на стоке.
Входным сопротивлением полевого транзистора в схемах с общим стоком и общим
истоком будет большое сопротивление обратносмещенного p–n-перехода, которое на несколько порядков больше входного сопротивления биполярного транзистора при любой
4
схеме включения. Однако коэффициент усиления ПТ меньше коэффициента усиления
усилительного каскада с биполярным транзистором. Поэтому ПТ используют в основном
во входных каскадах усилителей, где существенно большое входное сопротивление.
Полевой транзистор будет работать, если при включении в электрическую цепь поменять местами электроды истока и стока. Нормальная работа ПТ с каналом p - типа обеспечивается подачей положительного смещения на затвор и отрицательного на сток.
Максимальный ток стока и максимальная крутизна у ПТ с управляющим р–nпереходом (как с каналом p-типа, так и с каналом n-типа) наблюдается при нулевом смещении на затворе. При подаче прямого смещения на затвор ПТ появляется прямой ток через участок затвор – исток и резко уменьшается входное сопротивление транзистора. В
этом режиме полевые транзисторы не используют.
2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА
Начальный ток стока Iс0 – ток в цепи стока транзистора, включенного по схеме с
общим истоком, при Uси,< Uс нас; Uзи=0.
Ток стока в рабочей точке (при 0 > Uзи > Uотс)можно определить по формуле
Iс= Iс0(1 Uзи Uотс)2.
(1)
Уравнение (1) является приближенным для проходной характеристики любого полевого транзистора (особенно с малыми напряжениями отсечки).
Напряжение отсечки Uотс– один из основных параметров, характеризующих ПТ.
При напряжении на затворе, численно равным напряжению отсечки, практически полностью перекрывается канал полевого транзистора, и ток стока при этом стремится к нулю.
В справочных данных на ПТ всегда указывается, при каком значении тока стока
произведены измерения напряжения отсечки. Так, например, для транзисторов КП307Е
напряжения Uотс= 0.5  2.5 В получены при токе стока 0.01 мА.
Крутизна проходной характеристики. Входное сопротивление полевых транзисторов со стороны управляющего электрода (затвора) составляет 107109 Ом. Усилительные свойства полевого транзистора, как и электронных ламп, характеризуются крутизной
проходной характеристики: S=∂Iс ∂Uзи, при Uси=const. Выражение для крутизны характеристики в рабочей точке ПТ получим, используя (1)
S= Sмакс (1UзиUотс),
(2)
где Uзи– напряжение затвор–исток, при котором вычисляется S;
Максимальное значение крутизны характеристики Sмакс достигается при Uзи=0. При
этом численное значение Sмакс равно проводимости канала ПТ при нулевых смещениях на
его электродах.
Sмакс=−2(Ic0Uотс).
(3)
Соотношение (3) позволяет по двум известным параметрам рассчитать третий. Для
большинства маломощных ПТ S лежит в пределах 210 мА/В.
Крутизна характеристики полевых транзисторов на 12 порядка меньше, чем у биполярных транзисторов, поэтому при малых сопротивлениях нагрузки коэффициент усиления каскада на ПТ Кu = S Rc (Rc – сопротивление в цепи стока) меньше коэффициента усиления аналогичного каскада на биполярном транзисторе.
В большинстве случаев крутизну характеристики полевых транзисторов считают частотно-независимым параметром. Поэтому быстродействие электронных схем на ПТ
ограничено в основном паразитными параметрами схемы.
Внутреннее сопротивление канала Ri определяется выражением Ri = ∂Uси∂Iс при
Uзи= соnst.
Это сопротивление при Uси=0 и произвольном смещении Uзи можно выразить через
параметры транзистора:
5
Ri

U отс
2 I c0 1 - U зи U отс 
.
(4)
При малом напряжении исток–сток вблизи начала координат выходной характеристики ПТ ведет себя как переменное омическое сопротивление, зависящее от напряжения
на затворе. Минимальное значение сопротивления канала Ri0 наблюдается при Uзи=0. При
увеличении обратного напряжения на затворе сопротивление канала нелинейно увеличивается. Значение Ri0 определяется по стоковой характеристике транзистора как тангенс
угла наклона касательной к кривой Iс=f(Uс) при Uз=0 в точке Ucи=0.
Для приближенных расчетов имеет место простое соотношение:
Ri01 Sмакс.
(5)
Коэффициент усиления  определяется как изменение напряжения стока к вызвавшему его изменению напряжения на затворе при Ic = const:
μ= −∂Uси∂Uзи .
(6)
Изменение тока стока связано с изменением напряжением на затворе и изменением
напряжения на стоке
∂Ic=S ∂Uзи +∂Uси  Ri.
Если ∂Ic=0, то
S ∂Uзи +∂Uси  Ri=0,
разделив на ∂Uси и с учетом (6) после несложных преобразований получим связь между
тремя параметрами
S Ri.=μ.
(7)
Максимальные напряжения затвор–сток, затвор–исток, исток–сток. При превышении допустимых значений напряжения между электродами транзистора возможен
лавинный пробой перехода затвор-канал.
Обратное напряжение диода затвор–канал изменяется вдоль длины затвора, достигая
максимального значения у стокового конца канала. Именно здесь происходит пробой полевого транзистора. Лавинный пробой не приводит к выходу из строя ПТ с управляющим
p–n-переходом, если он не переходит в тепловой пробой. После возвращения в нормальный рабочий режим ПТ восстанавливают свою работоспособность.
Типичные значения параметров маломощного полевого транзистора КП-303В с
p–n-переходом и каналом n-типа:
Начальный ток стока Ic0 = 2 ÷ 5 мА при Uси = 10 В, Uзи = 0.
Напряжение отсечки Uотс = −1 ÷ − 4 В при Uси = 10 В, Ic = 10 мкА.
Крутизна проходной характеристики при Uси = 10 В, Uзи = 0, S = 2 ÷ 5 мА/В.
Внутреннее сопротивление Ri = 0,02 ÷ 0,5 Мом.
Ток утечки затвора Iз = 1 нА при Uзи = 10 В, Uси = 0.
Емкость входная Сзи не более 6 пФ.
Емкость проходная Сзс не более 2 пФ.
Максимальное напряжение затвор–сток, затвор–исток
Uзс max = 30 В.
Максимальное напряжение сток-исток Uси max = 25 В.
Максимальный ток стока Ic max =20 мА.
Максимальная рассеиваемая мощность при Т ≤ 25ºС
Р max = 200 мВт.
Диапазон температур окружающей среды Т от –40 до +85 ºС.
6
3. ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЕВЫХ
ТРАНЗИСТОРОВ
Основными вольт-амперными характеристиками полевого транзистора являются
входная, выходная и проходная характеристики, представленные на рис.4. Входная характеристика – зависимость тока затвора Iз от напряжения между затвором и истоком Uзи –
приведена на рис.4,а. Она представляет собой обычную вольт-амперную характеристику
полупроводникового диода и практически не зависит от напряжения сток исток Uси.
Обычно полевой транзистор работает при закрытом p–n-переходе, поэтому ток затвора
очень мал.
Iс
Iз
Iс0
1
А
2
Uзи0=0
Uзи10
3
Uзи2Uзи1
Uзи3Uзи2
0
а)
линейный
участок
Uз
и
Iс
Iс 0
область
отсечки
Uотс
0 Uзи
в)
0
Uс нас0
Uс пробоя2 Uси
Uс нас1
б)
Uс нас2
Uс нас3
Рис.4. Вольт-амперные характеристики
полевого транзистора с управляющим p–
n-переходом:
а) входная, б) выходная; цифрами отмечены: 1 – крутая область; 2 – пологая область (область насыщения), 3 – область
пробоя; в) проходная
Семейство выходных характеристик – зависимость тока стока Iс от напряжения сток–
исток Uси при различных напряжениях на затворе Uзи – показано на рис.4,б, где выделены
три области: 1 – крутая, 2 – пологая или область насыщения, 3 – область электрического
пробоя. Нормальная работа полевого транзистора как усилителя мощности осуществляется в области насыщения. При этом линейному увеличению напряжения на затворе Uзи соответствует линейное увеличение тока стока Iс.
Зависимость Iс=f(Uзи) при фиксированном напряжении сток–исток Uси называется
проходной характеристикой транзистора. Одна из таких зависимостей приведена на
рис.4,в. На ней можно выделить линейный участок и два нелинейных участка. Первый нелинейный участок (область отсечки) наблюдается при напряжениях на затворе, близких к
напряжению отсечки Uси ≈ Uотс. Канал ПТ закрыт, и ток стока мал. Второй нелинейный
участок возникает при подаче открывающего напряжения на затвор транзистора. При
этом по каналу течет большой ток Iс0. В этом режиме вольт-амперные характеристики ПТ
обычно не снимаются, на рисунке область насыщения нанесена точками.