Параметры транзисторов делятся на электрические и предельные эксплуатационные

Структура металл-диэлектрик-полупроводник и определяет название данного типа транзисторов.

 В качестве диэлектрика часто  используются окислы (SiO₂), поэтому их и называют МОП-транзисторами.

 

МДП-транзисторы конструктивно  выполняются двух видов: с индуцированным и встроенным каналом.

Принцип действия транзисторов с индуцированными  и встроенными каналами n- и р-типа одинаковы.

Конструкция транзистора с индуцированным каналом

 

Это полупроводник (например кремний) р-типа, рис.10.3), в имеющий две области n-типа - сток и исток, на полупроводник нанесён тонкий слой диэлектрика (чаще других выращивается двуокиси кремния на кремнии). Толщина диэлектрика должна быть очень малой, толщина диэлектрика лежит в пределах 0,05...0,3 мкм.

Расстояние между истоком и  стоком -  мкм и менее.

Сверху на диэлектрике нанесён слой металла. Между металлом и полупроводником прикладывается электрическое поле от внешнего источника.

Рис.10.3   МДП-транзисторы  с индуцированным и с встроенным каналом

 

Конструкция транзистора со встроенным каналом

 

Структура аналогична (рис.10.3), но перед тем, как делать подзатворный диэлектрик, проводится ещё одна диффузия доноров для n-канальных транзисторов или акцепторов для р-канальных транзисторов, чтобы создать встроенный канал.

 

Расстояние между истоком и  стоком -  мкм и менее.

На этом участке расположена  узкая слаболегированная полоска  кремния (n-типа) - канал.

Электрод затвора перекрывает  подложку между областями. Он изолирован от подложки также тонким слоем диэлектрика (0,05 -0,3мкм), также пленка двуокиси кремния.

 

В случае тонкого диэлектрика  электрическое поле легко  проникает  в полупроводник.

 

        

Принцип работы МОП транзистора с индуцированным каналом

 

 Если подать напряжение  между стоком и истоком, то  ничего не произойдёт: ток не  появится, так как при любом знаке напряжения хоть один из р-п переходов смещён в обратном направлении (это как в биполярном транзисторе при очень толстой базе – два р-n перехода отдельно).

 

В случае, когда к металлу  относительно полупроводника приложено  положительное напряжение, дырок у поверхности стало меньше, чем в глубине, а электронов – больше. Но пока  концентрация дырок у поверхности больше, чем концентрация электронов.

При дальнейшем увеличении положительного напряжения больше некоторого, так называемого порогового (U_П), электронов у поверхности становится больше, чем дырок.

Полупроводник разделился на две области: в глубине это  по-прежнему  р-тип, а вблизи поверхности – n-тип (произошла инверсия типа электропроводности).

 Вблизи поверхности появится наведённый (индуцированный) слой n-типа. Этот слой соединит две исходные области n-типа, и между стоком и истоком появится ток. Образовался канал n-типа.

Если приложено отрицательное  по отношению к полупроводнику напряжение то оно притягивает к поверхности  полупроводника дырки, а электроны отталкивает - дырок у поверхности станет ещё больше, чем было в исходном полупроводнике.

 

 

Принцип работы МОП транзистора с встроенным каналом:

 

Теперь у транзистора есть ток даже при нулевом напряжении на затворе, и есть возможность управлять им.

В зависимости от полярности напряжения, приложенного к затвору (относительно истока), канал может обедняться или обогащаться носителями заряда (электронами).

 

При отрицательном напряжении на затворе электроны проводимости выталкиваются из области канала в объем полупроводника подложки. При этом канал обедняется носителями заряда, что ведет к уменьшению тока в канале.

При U_3И < 0 и других значений напряжений U_3И <U_ПOP канал между стоком и истоком отсутствует, в цепи стока течет пренебрежительно малый ток стокового перехода.

 

Положительное напряжение на затворе способствует втягиванию электронов проводимости из подложки в канал. В этом режиме, а это режим обогащения, ток канала возрастает.

Таким образом, в отличие  от ПТ с p-n переходами транзистор с изолированным затвором может работать с нулевым, отрицательным или положительным напряжением на затворе.

 

В рассмотренных случаях  мы рассматривали структуры с р-подложкой. Можно использовать n-подложку.

Все рассуждения для  неё будут те же, но на затвор надо подавать отрицательное напряжение, и канал будет р-типа.

    Структура МОП транзистора имеет 4 контакта. Иногда их все используют. Однако чаще исток соединяют с подложкой, и остаётся только три контакта.

 

Статические характеристики МОП транзистора

 

 На рис. 10.4 представлены стокозатворная и выходная характеристики полевого транзистора МДП с индуцированным n-каналом (подложка-р).

Рис.10.4 Стокозатворная и выходная характеристики полевого транзистора МДП с индуцированным n-каналом

 

Видно, что в этом случае все потенциалы положительны.

Стокозатворная характеристика имеет вид параболы.

 

I_C=A(U_ЗИ-U_ОТС)²      при U_ЗИ <U_ОТС    (10.2)

 

A – коэффициент, зависящий от конструкции и технологии изготовления транзистора, [А/В]

Крутизна   стоко-затворной   характеристики   (характеристики   управления)

 

S=DI_c/DU_зи   (10.3)

 

размерность [mA/В]

 

Зависимость тока стока  от напряжения сток-исток представлена справа на рис.10.4.

 

Вопрос: почему характеристики не прямые – кажется, что только от напряжения U_ЗИ зависит проводимость канала, и, следовательно, должен соблюдаться закон Ома, т.е. ток стока должен быть пропорционален напряжению сток-исток.

 Однако на рис.10.4 видно, что чем больше напряжение сток-исток, тем больше сопротивление канала.

Объясняется это тем, что в канале есть падение напряжения, а, так как в затворе нет  никаких токов, то напряжение во всех точках затвора одинаковое.

 Если исток и подложка  соединены, то в канале близ истока напряжение равно 0, а вблизи стока равно U_СИ , значит разность потенциалов между затвором и подложкой будет уменьшаться от истока к стоку, канал будет иметь разную толщину и электропроводность, как показано на рис.10.5

Рис.10.5  Модуляция канала    

 

При  U_зинас происходит перекрытие канала около стока и дальнейшее увеличение напряжения на стоке не приводит к увеличению тока стока.

 

УГО МОП полевого транзистора с n-каналом (слева) и с р-каналом (справа).

 

Рис.10.6       УГО  транзисторов с встроенным каналом

 

Это  МОП транзисторы  с индуцированным каналом.

Характеристики  МОП транзистора  с встроенным каналом будут выглядеть:

Рис.10.7     Стокозатворная и выходная характеристики полевого транзистора МДП с встроенным n-каналом

 

УГО: обозначаются такие транзисторы  почти так же, как и транзисторы  с индуцированным каналом:

Рис.10.8  УГО  транзисторов с индуцированным каналом

 

 

Параметры полевых транзисторов

 

  Основные электрические параметры полевых транзисторов

Независимо от конструкции ПТ характеризуются одними и теми же электрическими параметрами, различия проявляются только в количественных значениях этих параметров.

 

1. Крутизна стоко-затворной характеристики (характеристики управления) S [ мА/В];

Коэффициент усиления каскада на полевом транзисторе зависит от крутизны

 

К_u =  S R_н                                                (10.4)

 

2. Внутреннее (дифференциальное) сопротивление, являющееся выходным сопротивлением R_выx транзистора в [кОм]

 

R_i = DU_СИ/DI_С     при U_3И = const.                         (10.5)

 

Дифференциальное сопротивление определяется по статическим стоковым характеристикам. Оно практически не зависит от тока стока и уменьшается с увеличением напряжения на стоке.

 

3. Статический коэффициент усиления по напряжению.

 Показывает, во сколько раз  изменение напряжения на затворе больше, чем изменение напряжения на стоке:

 

m = DU_cи / DU_зи     при Ic = const.                          (10.6)

 

4. Ток затвора I₃. Ток затвора у транзисторов с управляющим р-п переходом зависит от температуры;

У МДП-транзисторов этой зависимости практически нет. Величина тока затвора не превышает десятков [нА ]

 

5. Пороговое напряжение

и_пор или напряжение отсечки.

Изменяется с изменением температуры, величина его и знак зависят от типа транзистора и составляют доли или единицы вольт.

 

6. Емкости транзистора:

С_зи - входная; С_зс - проходная; С_си - выходная.

С увеличением напряжения на стоке U_c емкости уменьшаются, причем выходная меняется существенно, входная и проходная - на 10 - 15%.

 

7. Коэффициент шума [дБ]

Шумы ПТ определяются тремя составляющими:

- тепловой;

- избыточный (фликкер-шум или 1/f);

- дробовый.

 

Избыточный или l/f шум преобладает в области низких частот, его интенсивность изменяется примерно обратно пропорционально частоте. Источником его являются произвольные локальные изменения электрических свойств материалов.

 У ПТ с управляющим  p-n переходом 1/f  шум превышает тепловой только на частотах, меньших 100гц , у МДП-транзисторов он более интенсивен и начинает заметно проявляться с частот порядка f = 1 - 5МГц .

 

Источником дробового шума является ток утечки затвора. Этот источник шума не является преобладающим и обычно он не учитывается.

 

Тепловой шум является основным на средних частотах, источник его - сопротивление канала постоянному току.

 

Тепловой и дробовой шумы не зависят  от частоты, напряжение теплового и  дробового шумов изменяются только при изменении полосы пропускания.

 

Коэффициент шума характеризует ухудшение соотношения сигнал/шум на выходе усилительного элемента, равен отношению на выходе к С/Ш на входе, выраженное в децибеллах.

 

 

К_Ш=10log ((P_C/P_Ш)_вых/(P_C/P_Ш)_вх) = 20log ((U_C/U_Ш)_вых/(U_C/U_Ш)_вх)            (10.7)

 

Коэффициент шумов зависит от внутреннего  сопротивления источника усиливаемого сигнала R_г.

 

Основные предельно допустимые эксплуатационные параметры полевых транзисторов

1. Максимально допустимо значение  тока стока транзистора /_{ct max};

2. Максимально допустимая мощность;

3. Максимально допустимые электродные  напряжения  U_СИ , U_3И , U_3C;

и максимально допустимое напряжение между подложкой и истоком U_{ПИ max};

4. Частотные свойства ПТ, используемого  в качестве усилительного элемента, принято оценивать частотой  f_гр на которой коэффициент усиления каскада К_I уменьшается в корень из 2 раз:

5. Температурная зависимость параметров и характеристик ПТ.

Параметры ПТ зависят от температуры. Определяется влиянием температуры на напряжение отсечки (пороговое напряжение) и ток стока. Изменение напряжения отсечки относительно невелико.

При изменении температуры в одну сторону ток стока может как увеличиваться, так и уменьшаться. Температурный коэффициент тока стока может принимать положительное, нулевое или отрицательное значение.

Основными физическими причинами  температурных изменений тока стока  являются температурные зависимости подвижности носителей и порогового напряжения.

 

 

 

 

 

ПРИМЕЧАНИЕ

 

Важнейшее отличие  ПТ от БТ

 

Характерным для всех ПТ является очень малый ток в  цепи затвора, т.к. затвор либо изолирован, либо образует с каналом управляющий  переход, включаемый в обратном направлении.

Т.к. затвор в электрических  схемах является входным электродом, то ПТ обладает высоким входным сопротивлением на постоянном токе (более 10⁸-10¹⁰ Ом).

В этом заключается важнейшее  отличие ПТ от БТ, входное сопротивление  которых, составляет единицы - сотни Ом (ОБ, ОЭ).

 

В связи с указанным  различием входных сопротивлений  иногда говорят, что ПТ - прибор, управляемый  напряжением (электрическим полем), а БТ - это прибор, управляемый  током.

 

В приборах, управляемых  напряжением, напряжение на входном электроде прибора из-за высокого входного сопротивления R_ex практически не зависит от параметров самого прибора и определяется источником ЭДС входного сигнала, если R_ex » R_ucm, где R_иcm - внутреннее сопротивление источника.

 

  В приборах, управляемых током, входной ток из-за малого входного сопротивления прибора слабо зависит от параметров прибора и определяется током источника входного сигнала (при R_ex « R_иcm).

 

 

02.2013 Флёров А.Н.  курс “ Электроника и МПУ” Для самостоятельного изучения

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

 

 

Содержание

 

7. Схемы включения  транзистора

Транзистор может быть включен  в усилительный каскад тремя различными способами: по схеме с общей базой (ОБ), сообщим эмиттером (ОЭ), и с общим коллектором (ОК).

Такая терминология указывает, какой  из электродов транзистора является общим для его входной и выходной цепей. Различные схемы включения имеют различные свойства, но принцип усиления у них одинаков.

7.1 Схема с общей базой (ОБ)

Эта схема (рис.1) рассматривалась нами выше для пояснения принципа работы транзистора.