Принцип работы мдп транзистора с индуцированным каналом. Что такое МДП-транзистор

Полупроводниковых элементов постоянно растет. Каждое новое изобретение в этой области, по сути дела, меняет все представление об электронных системах. Меняются схемотехнические возможности в проектировании, появляются новые устройства на их основе. С момента изобретения (1948 г), прошло уже немало времени. Были изобретены структуры "p-n-p" и "n-p-n", Со временем появился и МДП-транзистор, работающий по принципу изменения электрической проводимости приповерхностного полупроводникового слоя под действием электрического поля. Отсюда и еще одно название этого элемента - полевой.

Сама аббревиатура МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) характеризует внутреннее строение этого прибора. И действительно, затвор у него изолирован от стока и истока тонким непроводящим слоем. Современный МДП-транзистор имеет длину затвора, равную 0,6 мкм. Через него может проходить только электромагнитное поле - вот оно и влияет на электрическое состояние полупроводника.

Давайте рассмотрим, как работает и выясним, в чем же его основное отличие от биполярного “собрата”. При появлении необходимого потенциала на его затворе появляется электромагнитное поле. Оно влияет на сопротивление перехода сток-исток перехода. Вот некоторые преимущества, которые дает использование этого прибора.

При проектировании и работе с этими элементами, необходимо учитывать, что МДП-транзисторы очень чувствительны к перенапряжению в схеме и То есть прибор может выйти из строя при прикосновении к управляющим выводам. При монтаже или демонтаже используйте специальное заземление.

Перспективы в использовании этого прибора очень хорошие. Благодаря своим уникальным свойствам, он нашел широкое применение в различной электронной аппаратуре. Инновационным направлением в современной электронике является использование силовых IGBT-модулей для работы в различных цепях, в том числе, и индукционных.

Технология их производства постоянно совершенствуется. Ведутся разработки по масштабированию (уменьшению) длины затвора. Это позволит улучшить и так уже неплохие эксплуатационные параметры прибора.

Лекция 14.

Такие транзисторы сокращенно называют МДП-транзисторами. Они могут быть двух типов: транзисторы с индуцированным каналом и транзисторы со встроенным каналом. В первых из них канал возникает под действием управляющего напряжения, подаваемого между затвором и истоком. В отсутствие такого напряжения эти транзисторы закрыты (поэтому называются нормально закрытыми транзисторами). В случаях, когда такой транзистор используется в качестве нормально закрытого электронного ключа, управление им не потребует каких либо напряжений для постоянного смещения потенциала затвора. Однако, если организовать соответствующее смещение, транзистор будет работать в качестве линейного усилителя сигналов переменного напряжения.

В транзисторах второго типа проводящий канал создается в процессе их изготовления. Поэтому они являются нормально открытыми и могут усиливать переменный сигнал даже без смещения потенциала затвора. Если транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения канала свободными носителями тока необходимого вида, то транзисторы со встроенным каналом способны работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. По сравнению с исходным состоянием сопротивление канала этих транзисторов может быть увеличено или уменьшено с помощью внешнего управляющего сигнала.

В МДП-транзисторах (в отличие от транзисторов с управляющим р-п- переходом) металлический затвор изолирован от канала в объеме полупроводника слоем диэлектрика. Кроме того, у МДП-транзисторов имеется еще и четвертый вывод, называемый подложкой (П).

Принципы действия МДП-транзисторов с индуцированными каналами р -типа и п- типа качественно не отличаются. Здесь, как и в любом МДП-транзисторе, управляющее напряжение можно подавать как между затвором и подложкой, так и независимо на подложку и затвор.

При подаче на затвор отрицательного напряжения U ЗИ электроны приповерхностного слоя отталкиваются в глубь полупроводника, а дырки движутся к поверхности. Приповерх­ностный слой приобретает дырочную электропроводность. В нем появляется тонкий слой с инверсным типом проводимости, который выступает в качестве 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 сопротивление канала и, следовательно, ток стока.

Напряжение на затворе, при котором появляется проводящий канал, называют пороговым напряжением U ЗИ. пор. 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 U ЗИ. пор .

По мере удаления от поверхности полупроводника концен­трация индуцированных дырок уменьшается. На расстоянии, приблизительно равном толщине канала, электропроводность становится собственной. Затем идет слой, обедненный основными носителями заряда (т.е. р-п -переход). Благодаря ему сток, исток и канал изолированы от подложки, поскольку р-п -переход смещен приложенным напряжением в обратном направлении. Очевидно, что его ширину и, следовательно, ширину канала можно изменять за счет подачи на подложку дополнительного напряжения относительно электродов стока и истока. Сле­довательно, током стока можно управлять не только пу­тем изменения напряжения на затворе, но и за счет из­менения напряжения на подложке. В последнем случае управ­ление МДП-транзистором аналогично управлению полевым транзистором с управляющим р-п -переходом.

Для образова­ния канала на затвор должно быть подано напряжение, большее U ЗИ. пор . При этом толщина образующегося инверсного слоя оказывается значительно меньше толщины обедненного слоя; если толщина обедненного слоя колеблется от сотен до тыся­ч нанометров, то толщина индуцированного канала составляет всего 1¸5 нанометров. Другими словами, дырки индуцированного канала «прижаты» к поверхности полупроводника, поэтому структура и свойства границы полупроводник - диэлектрик играют в МДП-транзисторах очень важную роль.

Рассмотрим семейство выходных вольтамперных характеристик (ВАХ) МДП-транзистора с индуцированным каналом. На рис. 13.1 видно, что каждый из графиков, соответствующий определенному значению напряжения U ЗИ, имеет три участка. На начальном участке ток стока быстро возрастает (крутая или омическая область). Затем идет слабая зависимость тока стока от напряжения U СИ (пологая область или область насыщения тока стока) и завершает график участок пробоя.

Можно заметить, что выходные ВАХ транзисторов рассматриваемого здесь вида похожи на выходные ВАХ полевых транзисторов с управляющим р-п- переходом. Как и транзисторы с управляющим р-п -переходом, МДП-транзисторы при малых напряжениях U СИ (в области I; рис. 13.1)ведут себя подобно линеаризованному управля­емому сопротивлению. При увеличении напряжения U СИ 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.

Аналитичес­кие аппроксимации вольтамперных характеристик МДП-тран­зисторов не очень удобны и мало применяются в инженерной практике. Однако, при ориентировочных оценках тока стока в области насыщения можно использовать уравнение

, (13.1)

.

Управляющее действие подложки можно учесть путем введения коэффициента влияния по подложке

, (13.2)

называется крутизной характеристики на подложке. Она показывает, насколько следовало бы изменить напряжение на затворе, чтобы при изменении напряжения подложки U ПИ ток стока I C остался неизменным. Если одновременно действуют напряжения на затворе и подложке, то в выражения (13.1) и (13.2) вместо U ЗИ следует подставить

U ЗИ. эф = U ЗИ - hU ПИ. (13.3)

Инерционные свойства МДП-транзисторов зависят от ско­рости движения носителей заряда в канале, а также от межэлектродных емкостей между стоком и истоком (С СИ), между подложкой и истоком (С ПИ) и между подложкой и стоком (С ПС). Кроме того, быстродействие транзисторов зависит от значений сопротивлений, через которые эти емкости заряжаются и разряжаются. При этом ввиду малого времени пробега носителей заряда через канал, который обычно имеет длину 0,1¸5 мкм, влиянием последнего обычно пренебрегают.

При расчете схем, построенных на МДП-транзисторах с индуцированным каналом, используют эквивалентные схемы замещения этих транзисторов, в которых за инерционные свойства отвечают электрические емкости. На рис. 13.2 показана одна из таких схем. Необходимо сказать, что значения емкостей, входящих в эквивалентную схему (например, в такую, что представлена на рис. 13.2)не всегда известны. К тому же часть из них (в частности, С ПС и С ПИ) меняется в зависимости от напряжений на электродах. Поэтому на практике часто измеряют входную емкость транзистора для схемы с общим истоком (С 11И), его выходную (С 22И) и проходную (С 12И) емкости. Эти емкости характеризуют параметры полевого транзистора, который при заданном режиме измерения представлен эк­вивалентной схемой рис. 13.3. Эта схема не очень точно отражает особен­ности транзистора, но ее параметры известны или легко могут быть измерены. Обычно значения емкостей схемы с рис. 13.3 бывают следующими: входная емкость С 11И » 1¸5пФ, проход­ная емкость С 12И = 0,22 пФ, выходная емкость С 22И = 2¸6 пФ.

Кроме включения в эквивалентную схему транзистора межэлектродных емкостей, для учета инерционности используют частотную зависимость крутизны стоко-затворной характеристики. Операторное уравнение крутизны характеристики МДП-транзисторов имеет тот же вид, что и для полевых тран­зисторов с управляющим р-п -переходом:

, (13.4)

где w гр » w З = 1/t З, и t З » R СИ.откр ×С 3 . 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 величину заряда в диэлектрике. У МДП-транзисторов 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 I C = 0,05¸0,5 мА. Важным преимуществом МДП-транзисторов перед биполярными транзисторами является малое падение напряжения на них при коммутации малых сигналов. Так, если в биполярных тран­зисторах в режиме насыщения напряжение U КЭ принципиально не может быть меньше нескольких десятков - сотен милливольт, то у МДП-транзисторов при малых токах I C это падение напряже­ния (поскольку в этом случае транзистор работает в крутой области) мало и определяется током I С и сопротивлением канала R СИ. откр:

U СИ = I С ×R СИ.откр при | U СИ | < | U СИ. нас |. (13.5)

При уменьшении I C оно может быть сведено до значения, стремящегося к нулю.

МДП-транзисторы со встроенным каналом.Здесь, как и выше, мы рассмотрим транзистор с каналом только одного типа (р-типа), поскольку принципы действия транзисторов с каналами р- или п-типа одинаковы.

Такой транзистор изготавливается из пластинки полупроводникового кристалла с невысоким уровнем легирования донорами, имеющего слабо выраженную проводимость п -типа. На одной из поверхностей пластинки методом высокотемпературной диффузии устраивают слой с повышенным содержанием донорной примеси (проводимость п + ). На поверхность этого слоя напыляют металлический слой (электрод подложки). На противоположной поверхности полупроводниковой пластинки методом локальной диффузии акцепторной примеси изготавливают две отделенные друг от друга области полупроводника с р + -типом проводимости (области стока и истока), а затем, также методом диффузии, между ними изготавливают тонкий слой канала, имеющий слабо выраженную проводимость р -типа.

Таким образом, стоковая и истоковая области оказываются связанными гальванически (между ними нет р-п- перехода). Между областями с р -типом проводимости и основным объемом полупроводниковой пластинки (подложкой) образуется р -п -переход. На поверхности стоковой и истоковой областей напыляются металлические электроды, к которым припаиваются выводы стока и истока, соответственно. Поверхность полупроводниковой пластинки в месте нахождения канала покрывают слоем изолятора (диоксида кремния), а на этот слой напыляют металлический электрод (затвор). В зависимости от полярности напряжения между каналом и затвором происходит расширение или сужение встроенного канала и, следовательно, уменьшение или увеличение сопротивления канала.

Подчеркнем, что в транзисторах со встроенным каналом ток в цепи стока будет протекать и при нулевом напряжении на затворе. Для его прекращения необходимо к затвору приложить положитель­ное напряжение (при структуре с каналом р -типа), равное или большее напряжения отсечки U ЗИ.отс . При этом дырки из инверсного слоя будут вытеснены, практически полностью, в глубь полупроводника и канал исчезнет. При приложении отрицательного напряжения канал расширяется и ток увели­чивается. Следовательно, МДП-транзисторы со встроенными каналами работают как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения.

При ориентировочных оценках тока стока транзистора со встроенным каналом в области насыщения можно использовать уравнение

, (13.6)

.

Графики семейства выходных ВАХ МДП-транзистора со встроенным каналом отличаются от соответствующих графиков МДП-транзисторов с индуцированным каналом лишь тем, что здесь напряжение U ЗИ может принимать как положительные значения, так и отрицательные. По форме те и другие графики идентичны. Здесь тоже имеются крутая (омическая) область I, область насыщения тока стока II и область пробоя канала транзистора в наиболее суженном месте, III.

Для расчетов усилительных схем на МДП-транзисторах со встроенным каналом рекомендуется схема замещения транзистора, показанная на рис. 6.17. В нее входят элементы: входная емкость транзистора в схеме с общим истоком (С 11И), его выходная емкость (С 22И), проходная емкость (С 12И), выходное дифференциальное сопротивление (R СИ. диф) и источник тока, определяющий усилительные свойства транзистора.

Обычно величины емкостей схемы замещения транзистора имеют следующие значения: С 11И » 1¸5пФ, С 12И = 0,22 пФ, С 22И = 2¸6 пФ. Величина сопротивления R СИ. диф находится в пределах от десятков до сотен кОм.

Рассмотрим некоторые параметры МДП-транзисторов и их ориентировочные значения. Среди них основными являются:

1. Крутизна характеристики

(при U СИ = const и U ПИ = const; S = 0,1¸500 мА/В);

1. Крутизна характеристики по подложке

(при U СИ = const и U ЗИ = const; S П = 0,1¸1 мА/В);

2. Начальный ток стока I C нач (ток стока при нулевом напряжении U ЗИ;у транзисторов с управляющим р-п -переходом I C нач = 0,2¸600 мА; для транзисторов с технологически встроенным каналом I C нач = 0,1¸100 мА; с индуцированным каналом I C . нач = 0,01¸0,5 мкА);

4. Пороговое напряжение U ЗИ. пор (U ЗИ. пор = 1¸6 В);

5. Сопротивление сток – исток в открытом состоянии R СИ.откр

(R СИ. откр = 2¸300 Ом);

6. Максимальный постоянный ток стока I C . макс (I C . макс = 10¸700 мА);

7. Остаточный ток стока I C . ост – ток стока при напряжении U ЗИ. отс (I C . ост = 0,001¸10 мА);

8. Максимальная частота усиления f р – частота, на которой коэффициент усиления по мощности К у Р равен единице (f р может принимать значения от десятков до сотен МГц).

Похожая информация.

Рассмотрим принцип действия МДП-транзистора с индуцированным каналом n -типа.

При постепенном увеличении положительного относительно истока напряжения
и
на затворе образуется положительный заряд, а в приповерхностном слое полупроводника сначала образуется слой, обедненный основными носителями подложки (в данном случае - дырками).

При дальнейшем росте
свободные электроныp -полупроводника подложки (собственные, а не примесные) перемещаются в приповерхностную область под затвором и образуют индуцированный (наведенный полем) инверсный (с инверсной по отношению кp -полупроводнику подложки проводимостью) слой, который и представляет собой каналn -типа между истоком и стоком (рис. 10.18).

Напряжение
, при котором возникает канал, называется пороговым
. Канал отделяется от подложки отрицательными ионами акцепторов, т.е. обедненным носителями заряда слоем. При
происходит обогащение поверхностного слоя электронами и уменьшение сопротивления канала. Такой режим работы МДП-транзистора называется режимом обогащения. В МДП-транзисторах с индуцированным каналом существует только режим обогащения.

Если
и напряжение
, то при протекании по каналу тока стокаэквипотенциальная картина поля, изображенная на рис. 10.18, нарушается. Потенциал поверхности под действием тока стока увеличивается по направлению от истока к стоку, а разность потенциалов между затвором и поверхностью уменьшается, что в конечном итоге сужает канал. При увеличении напряжения
ток стокатоже растет с постепенным замедлением скорости роста. Когда падение напряжения на объемном сопротивлении канала от протекающего тока стокаскомпенсирует превышение напряжения
над пороговым, напряжение между стоком и затвором станет равным
и у стока произойдет смыкание обедненного слоя с поверхностью полупроводника, препятствуя дальнейшему росту тока стока(рис. 10.19).

Это называется насыщением тока стока. Напряжение
, при котором происходит насыщение тока стока, называется напряжением насыщения
.

При дальнейшем увеличении напряжения
сверх
ток стоканезначительно увеличивается только в силу уменьшения длины канала и, следовательно, уменьшения сопротивления канала (рис. 10.20).

Явление переноса носителей заряда (в данном случае электронов) из канала через обедненную область в сток подобно переходу зарядов из базы в коллектор биполярного транзистора через обратно смещенный pn -переход под действием его поля. Все приращения напряжения
сверх
прикладываются в основном к высокоомной обедненной области, расположенной у стока, в результате чего ток стокапочти не увеличивается.

Напряжение
существенно зависит от напряжения на подложке, так как с его ростом увеличивается область, обедненная зарядами. Обычно в МДП-структурах сn -каналом на подложку подают наиболее отрицательный потенциал схемы, чтобы переход «исток - подложка» всегда был закрыт. Влияние постоянного напряжения между истоком и подложкой можно учесть, включив его с определенным коэффициентом в выражение для
.

На рис. 10.17 – 10.20 проведены четкие границы между зарядовыми областями МДП-структуры. Реально изменение концентраций зарядов плавное, и резко обозначенных границ между областями зарядов не существует.

При больших напряжениях на стоке
может произойти пробой МДП-транзистора, при этом может быть два вида пробоя: пробойpn -перехода под стоком и пробой диэлектрика под затвором. Пробойpn -перехода обычно имеет лавинный характер, так как МДП-транзисторы изготавливаются обычно на основе кремния. При этом на пробивное напряжение
может влиять напряжение на затворе: так как на сток и на затвор МДП-транзистора с индуцированным каналом подаются потенциалы одной полярности, то с увеличением напряжения на затворе будет увеличиваться
. Пробой диэлектрика под затвором может происходить при напряжении на затворе всего в несколько десятков вольт, так как толщина слоя диоксида кремния около 0,1 мкм. Пробой обычно имеет тепловой характер. Этот вид пробоя может возникать в результате накопления статических зарядов, так как входное сопротивление МДП-транзисторов велико. Для исключения возможности такого вида пробоя вход МДП-транзистора часто защищают стабилитроном, ограничивающим напряжение на затворе.

Семейство статических характеристик
при
МДП-транзистора с индуцированным каналом, построенное в соответствии со сказанным приведено на рис. 10.21.

участок резкого изменения тока и участок, на котором изменение тока мало.

Параметром семейства выходных характеристик биполярного транзистора является ток базы – прибор управляется током; для МДП-транзистора с индуцированным каналом параметром семейства выходных характеристик является напряжение на затворе
- прибор управляется напряжением. С увеличением напряжения
сопротивление канала уменьшается, и ток стокавозрастает – характеристика идет выше. Выходные ВАХ МДП-транзистора выходят из начала координат, в то время как выходные ВАХ биполярного транзистора могут быть сдвинуты по оси напряжений.

На графике семейства
при
МДП – транзистора с индуцированным каналом (рис. 10.21) можно выделить три основные рабочие области:

1 – область отсечки выходного тока: транзистор закрыт (
), и в цепи стока протекает малы ток, обусловленный утечкой и обратным током стокового перехода (10 -6 А)4

2 – активная область (пологая часть выходных ВАХ, для которой
и
) – область, где выходной токостается практически неизменным с ростом
;

3 – область открытого состояния (крутая часть выходной ВАХ): ток в этой области работы задается внешней цепью.

Таким образом, в области 1 рабочая точка находится, если МДП-транзистор заперт, в области 3 – если открыт; эти области соответствуют статическим состояниям МДП-транзистора в ключевом режиме эксплуатации. Активная область (область 2) для ключевого режима МДП-транзистора является областью динамического состояния: в этой области рабочая точка находится кратковременно в течение переходного процесса из одного статического состояния в другое (из закрытого в открытое и наоборот).

В активной области рабочая точка находится при эксплуатации МДП-транзистора в усилительном режиме, когда между входными и выходными сигналами сохраняется линейная зависимость.

В области 4 достаточно больших напряжений
наступают предпробойные явления, а затем и пробой, сопровождающийся резким увеличением тока. Область пробоя определяет выбор предельно допустимых напряжений.

Характер статических характеристик передачи
при
ясен из принципа действия МДП-транзистора с индуцированным каналом. Характеристики для разных напряжений
выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей
.(рис. 10.22).

Интересным и важным с точки зрения применения МДП-транзисторов является температурное изменение статических характеристик передачи. Эти изменения вызваны различными физическими процессам, которые приводят к тому, что с увеличением температуры пороговое напряжение
уменьшается.

быть как отрицательными, так и положительными, а также нулевыми в определенной рабочей точке статических характеристик.

Обычно эффект температурной компенсации получается при напряжениях на затворе, незначительно превышающих
. Кроме того, еще надо учитывать, что крутизнахарактеристики передачи, определяющая усилительные свойства МДП-транзистора, изменяется с температурой даже при неизменном постоянном токе стока.

Рассмотрим принцип действия МДП-транзистора со встроенным каналом n -типа (рис. 10.24).

Модуляция сопротивления проводящего канала может происходить при изменении напряжения на затворе как положительной, так и отрицательной полярности. При напряжениях
и
через каналn -типа течет ток. Если
, то затвор заряжается отрицательно, а в расположенном под ним приповерхностном слое вследствие ухода из него свободных электронов появляется положительный заряд ионов. Обедненный основными носителями слой увеличивает сопротивление канала. При достижении
обедненный слой перекрывает канал, и ток через него не течет. Имеет место режим отсечки. При
происходит обогащение канала носителями заряда (в данном случае электронами), его сопротивление уменьшается, что приводит к увеличению тока стока.

Таким образом, МДП-транзистора со встроенным каналом может работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения канала носителями заряда.

Семейство выходных статических характеристик и статическая характеристика передачи МДП-транзистора со встроенным каналом n -типа приведены на рис. 10.25.

выходные статические характеристики	характеристика передачи

Полевой транзистор – электрический полупроводниковый прибор, выходной ток которого управляется полем, следовательно, напряжением, одного знака. Формирующий сигнал подается на затвор, регулирует проводимость канала n или p-типа. В отличие от биполярных транзисторов, где сигнал переменной полярности. Вторым признаком назовем формирование тока исключительно основными носителями (одного знака).

Классификация полевых транзисторов

Начнём классификацией. Разновидности полевых транзисторов многочисленны, каждая работает сообразно алгоритму:

Помимо общей классификации придумана специализированная, определяющая принципы работы. Различают:

1. Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом.
2. Полевые транзисторы с барьером Шоттки.
3. Полевые транзисторы с изолированным затвором:

• С встроенным каналом.
• С индуцированным каналом.

В литературе дополнительно упорядочивают структуры следующим образом: применять обозначение МОП нецелесообразно, конструкции на оксидах считают частным случаем МДП (металл, диэлектрик, полупроводник). Барьер Шоттки (МеП) следует отдельно выделять, поскольку это иная структура. Напоминает свойствами p-n-переход. Добавим, что конструктивно в состав транзистора способны входить одновременно диэлектрик (нитрид кремния), оксид (четырехвалентный кремния), как это случилось с КП305. Такие технические решения используются людьми, ищущими методы получения уникальных свойств изделия, удешевления.

Среди зарубежных аббревиатур для полевых транзисторов зарезервировано сочетание FET, иногда обозначает тип управления – с p-n-переходом. В последнем случае наравне с этим встретим JFET. Слова-синонимы. За рубежом принято отделять оксидные (MOSFET, MOS, MOST – синонимы), нитридные (MNS, MNSFET) полевые транзисторы. Наличие барьера Шоттки маркируется SBGT. По-видимому, материал значение, отечественная литература значение факта замалчивает.

Электроды полевых транзисторов на схемах обозначаются: D (drain) – сток, S (source) – исток, G (gate) – затвор. Подложку принято именовать substrate.

Устройство полевого транзистора

Управляющий электрод полевого транзистора называется затвором. Канал образован полупроводником произвольного типа проводимости. Сообразно полярность управляющего напряжения положительная или отрицательная. Поле соответствующего знака вытесняет свободные носители, пока перешеек под электродом затвора не опустеет вовсе. Достигается путем воздействия поля либо на p-n-переход, либо на однородный полупроводник. Ток становится равным нулю. Так работает полевой транзистор.

Ток протекает от истока к стоку, новичков традиционно мучает вопрос различения двух указанных электродов. Отсутствует разница, в каком направлении движутся заряды. Полевой транзистор обратим. Униполярность носителей заряда объясняет малый уровень шумов. Поэтому в технике полевые транзисторы занимают доминирующую позицию.

Ключевой особенностью приборов назовем большое входное сопротивление, в особенности, переменному току. Очевидный факт, проистекающий из управления обратно смещённым p-n-переходом (переходом Шоттки), либо емкости технологического конденсатора в районе изолированного затвора.

Подложки часто выступает нелегированный полупроводник. Для полевых транзисторов с затвором Шоттки — арсенид галлия. В чистом виде неплохой изолятор, к которому в составе изделия предъявляются требования:

Сложно создать значительной толщины слой, отвечающий перечню условий. Поэтому добавляется пятое требование, заключающееся в возможности постепенного наращивания подложки до нужных размеров.

Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом и МеП

В этом случае тип проводимости материала затвора отличается от используемого каналом. На практике встретите разные улучшения. Затвор составлен пятью областями, утопленными в канале. Меньшим напряжением удается управлять протеканием тока. Означая увеличение коэффициента усиления.

Биполярный транзистор

В схемах используется обратное смещение p-n-перехода, чем сильнее, тем уже канал для протекания тока. При некотором значении напряжения транзистор запирается. Прямое смещение опасно использовать по той причине, что мощная управляемая цепь может повлиять на контур затвора. Если переход открыт, потечет большой ток, либо приложится высокое напряжение. Нормальный режим обеспечивается правильным подбором полярности и других характеристик источника питания, выбором рабочей точки транзистора.

Однако в некоторых случаях намеренно используются прямые токи затвора. Примечательно, что этот режим могут использовать те МДП-транзисторы, где подложка образует с каналом p-n-переход. Движущийся заряд истока делится между затвором и стоком. Можно найти область, где получается значительный коэффициент усиления по току. Управляется режим затвором. При росте тока iз (до 100 мкА) параметры схемы резко ухудшаются.

Аналогичное включение используется схемой так называемого затворного частотного детектора. Конструкция эксплуатирует выпрямительные свойства p-n-перехода между затвором и каналом. Прямое смещение мало или вовсе нулевое. Прибор по-прежнему управляется током затвора. В цепи стока получается значительное усиление сигнала. Выпрямленное напряжение для затвора является запирающим, изменяется по входному закону. Одновременно с детектированием достигается усиление сигнала. Напряжение цепи стока содержит компоненты:

• Постоянная составляющая. Никак не используется.
• Сигнал с частотой несущей. Заводится на землю путем использования фильтрующих емкостей.
• Сигнал с частотой модулирующего сигнала. Обрабатывается для извлечения заложенной информации.

Недостатком затворного частотного детектора считают большой коэффициент нелинейных искажений. Причем результаты одинаково плохи для слабых (квадратичная зависимость рабочей характеристики) и сильных (выход в режим отсечки) сигналов. Несколько лучшие демонстрирует фазовый детектор на двухзатворном транзисторе. На один управляющий электрод подают опорный сигнал, на стоке образуется информационная составляющая, усиленная полевым транзистором.

Несмотря на большие линейные искажения эффект находит применение. Например, в избирательных усилителях мощности, дозировано пропускающих узкий спектр частот. Гармоники фильтруются, не оказывают большого влияния на итоговое качество работы схемы.

Транзисторы металл-полупроводник (МеП) с барьером Шоттки почти не отличаются от имеющих p-n-переход. По крайней мере, когда дело касается принципов работы. Но благодаря особым качествам перехода металл-полупроводник, изделия способны работать на повышенной частоте (десятки ГГц, граничные частоты в районе 100 ГГц). Одновременно МеП структура проще в реализации, когда дело касается производства и технологических процессов. Частотные характеристики определяются временем заряда затвора и подвижностью носителей (для GaAs свыше 10000 кв. см/В с).

МДП-транзисторы

В МДП-структурах затвор надежно изолирован от канала, управление происходит полностью за счет воздействия поля. Изоляция ведётся за счет оксида кремния или нитрида. Именно эти покрытия проще нанести на поверхности кристалла. Примечательно, что в этом случае также имеются переходы металл-полупроводник в районе истока и стока, как и в любом полярном транзисторе. Об этом факте забывают многие авторы, либо упоминают вскользь путем применения загадочного словосочетания омические контакты.

В теме про диод Шоттки поднимался этот вопрос. Не всегда на стыке металла и полупроводника возникает барьер. В некоторых случаях контакт омический. Это зависит по большей части от особенностей технологической обработки и геометрических размеров. Технические характеристики реальных приборов сильно зависят от различных дефектов оксидного (нитридного) слоя. Вот некоторые:

1. Несовершенство кристаллической решетки в поверхностной области обусловлено разорванными связями на границе смены материалов. Влияние оказывают как свободные атомы полупроводника, там и примесей наподобие кислорода, который имеется в любом случае. Например, при использовании методов эпитаксии. В результате появляются энергетические уровни, лежащие в глубине запрещенной зоны.
2. На границе оксида и полупроводника (толщиной 3 нм) образуется избыточный заряд, природа которого на сегодняшний день еще не объяснена. Предположительно, роль играют положительные свободные места (дырки) дефектных атомов самого полупроводника и кислорода.
3. Дрейф ионизированных атомов натрия, калия и других щелочных металлов происходит при низких напряжениях на электроде. Это увеличивает заряд, скопившийся на границе слоев. Для блокировки этого эффекта в оксиде кремния используют окись фосфора (ангидрид).

МДП-транзисторы с индуцированным каналом

Принцип действия . При напряжении на затворе относительно истока равном нулю и при наличии напряжения на стоке ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток р-n -перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 4.12) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе у поверхности полупроводника под затвором возникает обедненный основными носителями слой и область объемного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов.

При напряжениях на затворе, больших U зи пор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, т. е. ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания (схема включения полевого транзистора с изолированным затвором аналогична схеме включения полевого транзистора с управляющим р-n -переходом, но полярности внешних источников питания различны для транзисторов с р - и n -каналом). Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.

В связи с тем, что затвор отделен от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.

Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти все напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряженности электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда – дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем, и их энергия увеличивается за счет энергии источника питания в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нем подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, т. е. мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.

Выходные статические характеристики . Характер зависимостей I с = =(U си) при U зи = const для МДП-транзистора с индуцированным каналом аналогичен характеру таких же зависимостей для полевого транзистора с управляющим р-n -переходом. Сублинейность крутых частей характеристик (рис. 4.13, а ) объясняется уменьшением толщины канала около стока при

увеличении напряжения на стоке и неизменном напряжении на затворе, так как на сток и на затвор подаются потенциалы одного знака относительно истока. Следовательно, разность потенциалов между стоком и затвором или между затвором и прилегающей к стоку частью канала уменьшается. Другими словами, из-за прохождения по каналу тока стока получается неэквипотенциальность канала по его длине. Поэтому при увеличении тока стока происходит уменьшение поперечного сечения канала около стока. При напряжении насыщения U си нас происходит перекрытие канала около стока, и дальнейшее увеличение напряжения на стоке вызывает очень малое увеличение тока стока.

Сублинейный характер зависимостей I c = f (U си) вызван также эффектом насыщения дрейфовой скорости носителей заряда или уменьшением их подвижности в сильных полях, как и в полевых транзисторах с управляющим р-n - переходом.

При увеличении напряжения на затворе (по абсолютному значению) выходные статические характеристики смещаются в область больших токов стока (рис. 4.13, а), что легко понять на основе принципа действия МДП-транзистора с индуцированным каналом.

При больших напряжениях на стоке может произойти пробой МДП-транзистора, при этом может быть два вида пробоя – пробой р-n -перехода под стоком и пробой диэлектрика под затвором.

Пробой p-n -перехода обычно имеет лавинный характер, так как МДП-транзисторы изготовляют обычно на кремнии. При этом на пробивное напряжение U си проб может влиять напряжение на затворе: так как на сток и на затвор МДП-транзистора с индуцированным каналом подаются потенциалы одной полярности, то с увеличением напряжения на затворе будет увеличиваться U си.проб. Пробой диэлектрика под затвором может происходить при напряжении на затворе всего в несколько десятков вольт, так как толщина слоя двуокиси кремния – около 0,1 мкм. Пробой обычно имеет тепловой характер, происходит при шнуровании тока, и поэтому даже при небольших энергиях импульсов напряжения могут произойти необратимые изменения в диэлектрике. Этот вид пробоя может возникать в результате накопления статических зарядов, так как входное сопротивление МДП-транзисторов велико. Для исключения возможности такого вида пробоя вход МДП-транзистора часто защищают стабилитроном, ограничивающим напряжение на затворе.

Статические характеристики передачи . Характер зависимостей I с = =f (U зи) при U си = const ясен из принципа действия МДП-транзистора с индуцированным каналом. Характеристики для разных напряжений на стоке выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей пороговому напряжению U зи . пор (рис. 4.13, б). С увеличением напряжения на стоке при неизменном напряжении на затворе ток стока возрастает даже в пологой части статических выходных характеристик (рис. 4.13, а), что приводит к смещению характеристик передачи вверх в выбранной системе координат.

4.3. Дифференциальные параметры и их определение по статическим характеристикам

Параметры транзисторов можно определить по статическим характеристикам, как показано на рис. 4.14. Для рабочей точки A (U с / , I c / , U зи /) крутизна и дифференциальное сопротивление определяются следующими выражениями:

(4.10) (4.11)

Статический коэффициент усиления по напряжению:

Определяется при постоянстве тока стока.

Графически его не всегда можно найти.

Поэтому он рассчитывается по уравнению µ = SR i .

4.4. Основные параметры полевых транзисторов

и их ориентировочные значения

К основным параметрам полевых транзисторов относят:

1). Крутизну характеристики

(4.12)

2). Крутизну характеристики по подложке

(4.13)

3). Статический коэффициент усиления по напряжению µ – от нескольких единиц до сотен;

5). Пороговое напряжение U зи пор (U зи пор = 1…6 В).

6). Сопротивление сток-исток в открытом состоянии R отк (R отк = 2 …300 ОМ), дифференциальное сопротивление R i = dU/dI U СИ = const в пределах 5...100 кОМ.;

6). Постоянный ток стока I cмакс (десятки миллиампер – десятки ампер).

7). Остаточный ток стока I c ост – ток стока при напряжении U зи отс (I c ост = = 0,001…10мА);

8). Максимальную частоту усиления f p – частоту, на которой коэффициент усиления по мощности К р равен единице (f p – десятки, сотни мегагерц – до нескольких десятков гигагерц).

9). Начальный ток стока I с нач – ток стока при нулевом напряжении U зи; у транзисторов с управляющим р-n- переходом I с нач = 0,2 … 600 мА; с технологически встроенным каналом I с нач = 0,1… 100 мА; с индуцированным каналом I с нач = 0,01… 0,5 мкА.

Обозначения полевых транзисторов аналогичны обозначениям биполярных транзисторов, только вместо буквы Т ставится буква П, например, КП1ОЗА, 2П303В и т. д.

Широкое распространение получают полевые транзисторы с барьером Шотки. Перспективными транзисторами являются полевые транзисторы на арсениде галлия, работающие на частотах до десятков – сотен гигагерц, которые можно использовать в малошумящих усилителях СВЧ, усилителях мощности и генераторах.