1.3.2 Полевые транзисторы с изолированным затвором или мдп -транзисторы

Эти транзисторы находят более широкое применение, так как имеют более простую конструкцию и обладают лучшими электрическими свойствами.

У МДП-транзисторов (металл– диэлектрик – полупроводник) между полупроводниковым каналом и металлическим затвором расположен изолирующий слой диэлектрика (рис. 1.3.3).

Принцип работы МДП -транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника под воздействием поперечного электрического поля. МДП-транзисторы управляются напряжением и имеют чрезвычайно большое входное сопротивление и в отличие от полевых транзисторов с затвором в виде p-n-перехода сохраняют его большим независимо от величины и полярности входного напряжения. Применяются две конструкции МДП -транзисторов: МДП -транзисторы со встроенным каналом и МДП -транзисторы с индуцированным каналом.

У МДП-транзисторов со встроенным каналом в полупроводниковой пластине (подложке), например «n»-типа, в процессе изготовления в приповерхностном слое создаются области, например «p»-типа, образующие электроды стока и истока (рис.1.3.3,а). Перемычка между С и И с проводимостью «p»-типа является каналом для протекания тока стока I_с даже при отсутствии управляющего напряжения U_з = 0 на затворе.

При подаче положительного напряжения на затвор электрическое поле выталкивает основные носители (дырки) из канала, его сопротивление растет, а I_с падает.

Такой режим носит название “режима обеднения”. При отрицательном напряжении на затворе электрическое поле притягивает дырки из подложки, они скапливаются в области канала, сопротивление канала уменьшается, I_с растет (“режим обогащения”). Передаточная функция МДП -транзистора показана на рис. 1.3.3, б. Его стоковые характеристики I_­c=f(U_си) при U­_зи = const по виду аналогичны характеристикам транзистора с затвором в виде p-n-перехода (рис.1.3.3, б). Схемные изображения МДП -транзисторов со встроенным каналом n-типа и p-типа представлены на рис. 1.3.3, в.

У МДП-транзисторов с индуцированным каналом последний заранее не создается, и в транзисторах, использующих пластину с проводимостью, например, n-типа, при U_з > 0 и U_з = 0 ток I_с = 0 (рис. 1.3.4, а, б). Образование канала в таких приборах происходит при подаче на затвор только отрицательного напряжения (U_з < 0). Тогда в результате вытеснения из поверхностного слоя электронов и подтягивания дырок из n-пластины происходит образование между стоком и истоком инверсного слоя полупроводника с проводимостью, аналогичной проводимости С и И, в данном случае p-типа, и, чем более отрицательным будет напряжение на затворе, тем больший I_с будет в канале. Схемные изображения МДП -транзисторов с индуцированным каналом n- и p-типов представлены на рис.1. 3.4, в.

Основные параметры полевых транзисторов следующие: крутизна характеристики передачи

; (1.3.1)

дифференциальное сопротивление стока (канала) на участке насыщения

. (1.3.2)

1.3.3. Сравнение полевых и биполярных транзисторов

Достоинства полевых транзисторов:

1. Очень большое входное сопротивление. У транзисторов с p–n переходом R_вх=10^5...6 Ом, с изолированным затвором R_вх=10^10...12 Ом. Полевые транзисторы практически не нагружают источник сигнала. Их можно ставить после любой микросхемы.

2. Технологичность. По конструкции они проще биполярных, занимают меньше места на кристалле. СБИС имеют на одном кристалле до 10⁷ элементов по КМОП – технологии.

3. Параметры полевых транзисторов мало зависят от температуры.

Недостатки полевых транзисторов:

1. Меньше усиление по напряжению.

2. Меньше рабочая частота из–за большой входной емкости. Однако сейчас разработаны полевые транзисторы с укороченным затвором с рабочей частотой 100 МГц.

3. Большое напряжение насыщения, что уменьшает КПД ключевых устройств на полевых транзисторах.

В последние годы разработаны силовые полевые транзисторы, в которых в одном корпусе включены параллельно тысячи одиночных транзисторов с изолированным затвором.

Примерные параметры хороших силовых полевых транзисторов такие: U_{си макс} = 500 В, I_с = 30 А, U_{си нас} = 2 В.

В настоящее время источники вторичного электропитания с преобразованием по высокой частоте выполняются только на полевых транзисторах. Частота преобразования до 1 МГц.

Основные схемы включения полевых транзисторов: схема с общим истоком (аналогичная схеме с общим эмиттером на биполярном транзисторе) и схема с общим стоком (аналог – схема с общим коллектором на биполярном транзисторе).

Схема с общим затвором практического применения не имеет.

В последние годы достоинство полевых транзисторов – большое входное сопротивление и достоинство биполярных – большой коэффициент усиления по напряжению – объединяют в одних схемах.

В современных операционных усилителях для повышения входного сопротивления первый каскад выполняют на полевых, а остальные – на биполярных транзисторах.