Полярные транзисторы

Полярные  транзисторы.

ВВЕДЕНИЕ 

Действие транзистора  можно сравнить с действием плотины. С помощью постоянного источника (течения реки) и плотины создан перепад уровней воды. Затрачивая очень небольшую энергию на вертикальное перемещение затвора, мы можем управлять потоком воды большой мощности, т.е. управлять энергией мощного постоянного источника.

Срок службы полупроводниковых  триодов и их экономичность во много раз больше, чем у электронных  ламп. За счёт чего транзисторы нашли  широкое применение в микроэлектронике - теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре и, конечно же, в компьютерах. Они заменяют электронные лампы во многих электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.

Преимущества транзисторов по сравнению с электронными лампами - те же, как и у полупроводниковых диодов - отсутствие накалённого катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его разогрева. Кроме того транзисторы сами по себе во много раз меньше по массе и размерам, чем электрические лампы, и транзисторы способны работать при более низких напряжениях и более высоких частотах.

Но наряду с положительными качествами, триоды имеют и свои недостатки. Как и полупроводниковые  диоды, транзисторы очень чувствительны  к повышению температуры, электрическим  перегрузкам и сильно проникающим излучениям (чтобы сделать транзистор более долговечным, его помещают в специальные корпуса ).

Основные материалы  из которых изготовляют транзисторы  — кремний и германий, перспективные  – арсенид галлия, сульфид цинка  и широко зонные проводники.

Существует 2 типа транзисторов: биполярные и полевые.

Рассмотрим устройство и принцип действия полевого транзистора  МОП- структуры (Металл- Окисел- Полупроводник), который нашел широкое применение в качестве основного элемента всех современных интегральных микросхем КМОП структуры.  
 
 
 
 
 

МОП – ТРАНЗИСТОРЫ

1. Устройство полевого  транзистора. 

Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком  основных носителей, протекающим через  проводящий канал и управляемый электрическим полем. В отличие от биполярных работа полевых транзисторов основана на использовании основных носителей заряда в полупроводнике. По конструктивному исполнению и технологии изготовления полевые транзисторы можно разделить на две группы: полевые транзисторы с управляющим р- п - переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором.

Рис.1. Структура  полевого транзистора 

Полевой транзистор с управляющим  р-п- переходом  - это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала р-п - переходом, смещенным в обратном направлении. Электрод, из которого в канал входят носители заряда, называют истоком; электрод, через который из канала уходят носители заряда, - стоком; электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, - затвором. При подключении к истоку отрицательного (для п-канала), а к стоку положительного напряжения (рис. 1 ) в канале возникает электрический ток, создаваемый движением электронов от истока к стоку, т.е. основными носителями заряда. В этом заключается существенное отличие полевого транзистора от биполярного. Движение носителей заряда вдоль электронно-дырочного перехода (а не через переходы, как в биполярном транзисторе) является второй характерной особенностью полевого транзистора.

Электрическое поле, создаваемое между затвором и  каналом, изменяет плотность носителей  заряда в канале, т.е. величину протекающего тока. Так как управление происходит через обратно смещенный р-п-переход, сопротивление между управляющим электродом и каналом велико, а потребляемая мощность от источника сигнала в цепи затвора ничтожно мала. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебаний как по мощности, так и по току и напряжению.

Рис. 2. Структура  полевого транзистора с изолированным  затвором: а - с индуцированным каналом ; б - со встроенным каналом.

Полевой транзистор с изолированным  затвором - это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. Полевой транзистор с изолированным затвором состоит из пластины полупроводника (подложки) с относительно высоким удельным сопротивлением, в которой созданы две области с противоположным типом электропроводности (рис. 2 ). На эти области нанесены металлические электроды - исток и сток. Поверхность полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем диэлектрика (обычно слоем оксида кремния). На слой диэлектрика нанесен металлический электрод - затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП- транзисторами или МОП- транзисторами (металл - оксид- полупроводник).

Существуют две  разновидности МДП-транзисторов с  индуцированным и со встроенным каналами.

В МДП-транзисторах с  индуцированным каналом проводящий канал между сильнолегированными  областями истока и стока и, следовательно, заметный ток стока появляются только при определенной полярности и при  определенном значении напряжения на затворе относительно истока (отрицательного при р-канале и положительного при п-канале). Это напряжение называют пороговым (U_ЗИ.пор). Так как появление и рост проводимости индуцированного канала связаны с обогащением его основными носителями заряда, то считают, что канал работает в режиме обогащения.

В МДП - транзисторах со встроенным каналом проводящий канал, изготавливается технологическим  путем, образуется при напряжении на затворе равном нулю. Током стока  можно управлять, изменяя значение и полярность напряжения между затвором и истоком. При некотором положительном напряжении затвор - исток транзистора с р - каналом или отрицательном напряжении транзистора с n -каналом ток в цепи стока прекращается. Это напряжение называют напряжением отсечки (U_ЗИ.отс ). МДП - транзистор со встроенным каналом может работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения канала основными носителями заряда.

2. Схемы включения  полевого транзистора. 

Рис. 3. Схемы  включения полевого транзистора.

Полевой транзистор в  качестве элемента схемы представляет собой активный несимметричный четырехполюсник, у которого один из зажимов является общим для цепей входа и  выхода. В зависимости от того, какой из электродов полевого транзистора подключен к общему выводу, различают схемы: с общим истоком и входом затвор; с общим стоком и входом на затвор; с общим затвором и входом на исток. Схемы включения полевого транзистора показаны на рис. 3.

По аналогии с ламповой электроникой, где за типовую принята  схема с общим катодом, для  полевых транзисторов типовой является схема с общим истоком.

3. Эквивалентная схема  полевого транзистора. 

Рис. 4. Эквивалентная  схема полевого транзистора.

Эквивалентная схема  полевого транзистора, элементы которой  выражены через у-параметры, приведен на рис. 4. При таком подключении  каждая из проводимости имеет физический смысл.

4. Параметры полевого  транзистора. 

Входная проводимость определяется проводимостью участка  затвор - исток у_ЗИ. = у₁₁ + у₁₂ ; выходная проводимость - проводимость участка сток - исток у_СИ = у₂₂ + у₂₁ ; функции передачи - крутизной вольт-амперной характеристики S = у₂₁ - у₁₂ ; функция обратной передачи - проходной проводимостью у_ЗС = у₁₂. Эти параметры применяются за первичные параметры полевого транзистора, используемого в качестве четырехполюсника. Если первичные параметры четырехполюсника для схем с общим истоком определены, то можно рассчитать параметры для любой другой схемы включения полевого транзистора.

Начальный ток стока I_С.нач - ток стока при напряжении между затвором и истоком, равном нулю и напряжении на стоке, равном или превышающим напряжение насыщения. Остаточный ток стока I_С.ост - ток стока при напряжении между затвором и истоком, превышающем напряжение отсечки. Ток утечки затвора I_З.ут - ток затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой. Обратный ток перехода затвор - сток I_ЗСО - ток, протекающий в цепи затвор - сток при заданном обратном напряжении между затвором и стоком и разомкнутыми остальными выводами. Обратный ток перехода затвор - исток I _ЗИО - ток, протекающий в цепи затвор - исток при заданном обратном напряжении между затвором и истоком и разомкнутыми остальными выводами.

Напряжение  отсечки полевого транзистора U_ЗИ.отс - напряжение между затвором и истоком транзистора с р -п переходом или изолированным затвором, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения. Пороговое напряжение полевого транзистора U_ЗИ.пор - напряжение между затвором и истоком транзистора с изолированным затвором, работающего в режиме обогащения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.

Крутизна  характеристик полевого транзистора S - отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком.

Входная емкость полевого транзистора С_11и - емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току на выходе в схеме с общим истоком. Выходная емкость полевого транзистора С_22и - емкость между стоком и истоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком. Проходная емкость полевого транзистора C_12и - емкость между затвором и стоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком. Емкость затвор -сток С_ЗСО - емкость между затвором и стоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах. Емкость затвор - исток С_ЗИО емкость между затвором и истоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах.

Коэффициент усиления по мощности К_ур - отношение мощности на выходе полевого транзистора к мощности на входе при определенной частоте и схеме включения.

4.1. Частотные свойства.

Частотные свойства полевых транзисторов определяются постоянной времени RC - цепи затвора. Поскольку входная емкость С_11и у транзисторов с р-п переходом велика (десятки пикофарад), их применение в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением возможно в диапазоне частот, ре превышающих сотен килогерц - единиц мегагерц.

При работе в переключающих  схемах скорость переключения полностью  определяется постоянной времени  RC - цепи затвора. У полевых транзисторов с изолированным затвором входная емкость значительно меньше, поэтому их частотные свойства намного лучше, чем у полевых транзисторов с р-п - переходом.

Граничная частота  определяется по формуле f_гр.=159/С_11и, где f_гр = частота, МГц; S - крутизна характеристики транзистора, мА/В; С_11и - емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току выходной цепи, пФ.

4.2. Шумовые свойства.

Шумовые свойства полевых транзисторов оцениваются коэффициентом шума К_Ш, который мало зависит от напряжения сток - исток, тока стока и окружающей температуры (ниже 50 ⁰ С) и монотонно возрастает с уменьшением частоты и внутреннего сопротивления источника сигнала. Коэффициент шума измеряют в заданном режиме по постоянному току U_СИ, I_C на определенной частоте.

Вместо коэффициента шума иногда указывают шумовое напряжение полевого транзистора U_ш - эквивалентное шумовое напряжение, приведенное ко входу, в полосе частот при определенном полном сопротивлении генератора в схеме с общим истоком; шумовой ток I_ш - эквивалентный шумовой ток, приведенный ко входу, при разомкнутом входе в полосе частот в схеме с общим истоком.

4.3. Тепловые параметры. 

Тепловые  параметры полевого транзистора характеризуют его устойчивость при работе в диапазоне температур. При изменении температуры свойства полупроводниковых материалов изменяются. Это приводит к изменению параметров полевого транзистора, в первую очередь, тока стока, крутизны и тока утечки затвора.

Зависимость изменения  тока стока от температуры определяется двумя факторами: контактной разностью  потенциалов р-п перехода и изменением подвижности основных носителей заряда в канале. При повышении температуры контактная разность потенциалов уменьшается, сопротивление канала падает, а ток увеличивается. Но повышение температуры приводит к уменьшению подвижности носителей заряда в канале и тока стока. При определенных условиях действие этих факторов взаимнокомпенсируется и ток полевого транзистора перестает зависеть от температуры. На рис. 5. приведены стокозатворные характеристики при различных температурах окружающей среды и указано положение термостабильной точки.

Рис. 5. Сток - затворные характеристики полевого транзистора при разных температурах.