8Полевые транзисторов . Устройство и принцип действия. Характеристики. Типы транзисторов.

2 .3.1 Устройство и принцип действия. Разновидности полевых транзисторов.

В полевых транзисторах ток проходит по полупроводниковому каналу между двумя электродами (исток—сток), сопротивление которого изменяется напряжением на третьем электроде, называемым затвором.

По способу изготовления затвора ПТ делятся на три типа: с p-n-управляющим переходом (затвором); с металлопроводниковым затвором (затвором Шоттки); с изолированным затвором.

В полупроводнике n-типа методом диффузии образована p⁺-область (затвор). Между областями создается p-n-переход. Неосновных носителей (дырок--объемный заряд) в n-области значительно больше, чем в p -области. Одна часть n-полупроводника занята объемным зарядом, оставшуюся часть называют каналом. При отсутствии внешних напряжений ширина объемного заряда в канале невелика. При подаче на затвор отрицательного (относительно истока) напряжения (обратное смещение) ширина p-n-перехода увеличится, ширина канала уменьшится. Проводимость между И-С зависит от ширины канала. Проводимость канала увеличивается с увеличением отрицательного напряжения на затворе, т.е. проводимостью канала можно управлять напряжением на затворе. Напряжение U_си создает в канале ток, который управляется напряжением затвора.

Ток, текущий по каналу, вызывает на нем падение напряжения, которое вызывает изменение ширины канала. В области стока канал сужается больше (штриховая линия). При определенном напряжении U_си, называемым напряжением перекрытия или напряжением насыщения, канал перекрывается, т.е. ток почти не увеличивается при увеличении U_си.

Транзисторы с затвором металл-полупроводник (затвором Шоттки) имеют существенно меньшую длину канала (до 0,5…1мкм), что уменьшает все размеры ПТ. Они способны работать на более высоких частотах (до 80ГГц).

Транзисторы с изолированным затвором (металл-диэлектрик-полупроводник—МДП). Если в качестве диэлектрика применяется оксид кремния (ОКИСЕЛ) –МОП. МДП-транзисторы бывают двух разновидностей: с индуцированным и со встроенным каналом.

С индуцированным каналом—исток и сток—сильнолегированные области, встроенные в слой противоположной проводимости. Между затвором и каналом—диэлектрик. Напряжение U_си не вызывает тока (встречно включены два диода). При подаче на затвор достаточного напряжения, в канале индуцируются заряды, противоположные тем, что на затворе. Это соответствует увеличению толщины канала. Чем больше напряжение на затворе. тем больше ширина канала, т.е. проводимость.

В МДП-со встроенным каналом на стадии изготовления транзистора тонкий приповерхностный слой слабо легируется так, что он имеет тот же тип проводимости, что и И и С. Поэтому в таком транзисторе ток протекает даже при U_зи =0.

а, б — с n и p -затворами, с каналами p и n-типа.

в,г – с индуцированными каналами n и p-типа.

д, е – со встроенными каналами n и p-типа.

2.3.2 Характеристики и достоинства полевых транзисторов. Занятие 17.

На рис. показаны выходные характеристики и передаточные характеристики полевого транзистора с p-n-затвором и каналом n-типа.

Выходные характеристики представляют собой зависимость I_с =f(U_си) при U_зи= Сonst.

1 При U_си=0 I_с=0 при любых напряжениях U_зи.

2 При U_зи=0 рост U_си вызывает расширение канала, т.е. увеличение тока I_с. Проводимость растет пропорционально напряжению. По мере роста тока увеличивается падение напряжения на канале, которое приводит к увеличению области объемного заряда, т.е. уменьшению толщины канала и росту его сопротивления. При напряжении U_{си нас} (напряжение насыщения) ток почти перестает увеличиваться с ростом напряжения. Ток стока I_{с нач} при U_{си нас} и при U_зи=0 называют начальным током стока.

3 При подаче на затвор отрицательного напряжения сопротивление канала увеличивается, крутизна характеристики уменьшается, перекрытие канала происходит при меньшем напряжении U_си.

Точки на характеристиках U_{си нас}, при которых происходит перекрытие канала, отделяют область крутых характеристик от области пологих характеристик. Левая часть соответствует изменению сопротивления в зависимости от напряжения затвора. Ее можно представить как регулируемое сопротивление. Поэтому крутая часть называется омической. В омической области регулирование осуществляется в виде включения последовательно (или параллельно) с нагрузкой регулируемого сопротивления.

Для усиления сигнала работа ПТ происходит в пологой области (области насыщения).

Регулирование осуществляется подачей отрицательного напряжения U_зи (относительно истока).

Для каналов p-типа характеристики идентичны.

Передаточные характеристики представляют собой зависимость I_c =f(Uзи) при U_си= Сonst. Они снимаются для области насыщения. При U_зи=0 ток соответствует I_{с нач}. При увеличении абсолютной величины U_зи I_с уменьшается. Когда станет I_с=0, напряжение затвора называется напряжением отсечки (U_{зи отс}). Передаточные характеристики можно построить с помощью выходных характеристик.

Полевые транзисторы обладают высокими температурами характеристиками, более стабильными качествами при росте температуры. Важным качеством является потенциальное управление (входное сопротивление от 10⁹ до 10¹³Ом). Высокая радиационная стойкость. Простота изготовления, малые размеры электродов.

Основной схемой включения является схема с ОИ, позволяющая получить высокие коэффициенты усиления как по току, так и по напряжению. Они используются в усилителях с большим входным сопротивлением, ключевых и логических схемах, в аттенюаторах (в качестве регулируемого сопротивления).