Параметры полевого транзистора

• Введение
• Расчёт параметров полевого транзистора с управляющим р-n переходом
• Вывод
• Список литературы

Последнее время очень широкого распространения получили полевые транзисторы, иначе называемые канальными или униполярными. Основным достоинством полевого транзистора есть высокое входное сопротивление, которое может быть таким же, как и у электронных ламп, и даже больше. В настоящее время биполярные транзисторы всё чаще и чаще вытесняются полевыми.

В данной курсовой работе были рассчитаны основные электрические параметры полевого транзистора (сопротивление полностью открытого канала, напряжение отсечки, ёмкость затвора) и определена передаточная характеристика и связанные с нею параметры (начальный ток стока, напряжение насыщения).

Расчёт параметров полевого транзистора с управляющим р-n переходом

1) Краткие теоретические сведения о полевых транзисторах с управляющим р-n переходом.

Полевым транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором ток создают основные носители заряда под действием продольного электрического поля, а управление величиной тока осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемым напряжением, приложенным к управляющему электроду.

Удачная модель, названная плоскостным транзистором, была сделана в 1950 г. Она состояла из тонкого слоя p-типа, расположенного наподобие сандвича между двумя слоями n-типа с металлическими контактами в каждом слое. Этот прибор работал именно так, как и предсказывал Шокли. Плоскостные транзисторы стали широко использоваться вместо точечно-контактных типов, поскольку их было легче изготовлять, и они лучше работали. Раннюю идею Шокли, транзистор с полевым воздействием, долго не удавалось осуществить, поскольку среди доступных материалов не было подходящих. Работающий полевой транзистор был построен на основе кристаллов кремния, когда методы выращивания и очистки кристаллов достаточно далеко продвинулись вперед.

Подобно электронной лампе, транзисторы позволяют небольшому току, текущему в одном контуре, контролировать гораздо больший ток, текущий в другом контуре. Транзисторы быстро вытеснили радиолампы всюду, за исключением тех случаев, где требуется управлять очень большой мощностью, как, например, в радиовещании или в промышленных нагревательных радиочастотных установках. Биполярные транзисторы обычно используются там, где требуется высокая скорость, так же как и в высокочастотных установках, где нет настоятельной необходимости применять электронные лампы. Полевые транзисторы это основной тип транзисторов, используемых в электронных приборах. Его легче изготовлять, а энергии он потребляет даже меньше биполярного транзистора.

Хотя часть транзисторов еще делают из германия, большая часть их изготовляется из кремния, который более устойчив к воздействию высоких температур. С дальнейшим развитием технологии стало возможным располагать в одном кусочке кремния до миллиона транзисторов, и это число продолжает возрастать. Подобные кремниевые блоки служат основой для быстрого развития современных компьютеров, средств связи и управления.

Известно, что входное сопротивление биполярного транзистора зависит от сопротивления нагрузки каскада, сопротивления резистора в цепи эмиттера и коэффициента передачи тока базы. Порою оно бывает сравнительно небольшим, усложняя согласование каскада с источником входного сигнала. Эта проблема полностью отпадает, если использовать полевой транзистор, — его входное сопротивление достигает десятков и даже сотен мегаом.

По аналогии с биполярными полевые транзисторы бывают разной «структуры»: с р-каналом и n-каналом. В отличие от биполярных они могут быть с затвором в виде p-n перехода (канальные, или униполярные, транзисторы); и с изолированным затвором (МДП-или МОП-транзисторы).

На рис. 1 приведены схематическое изображение конструкции полевого транзистора и схема его включения.

полевой транзистор передаточный ток Основой полевого транзистора служит пластина кремния (затвор), в которой имеется тонкая область, называемая каналом (рис. 1, а). По одну сторону канала расположен сток, по другую — исток. При подключении к истоку транзистора плюсового, а к стоку минусового выводов батареи питания GB2 (рис. 1, б) в канале возникает электрический ток. Канал в этом случае обладает максимальной проводимостью.

Стоит подключить еще один источник питания — GB1 — к выводам истока и затвора (плюсом к затвору), как канал «сужается», вызывая увеличение сопротивления в цепи сток-исток. Сразу же уменьшается ток в этой цепи. Изменением напряжения между затвором и истоком регулируют ток стока. Причем в цепи затвора тока нет, управление током стока осуществляется электрическим полем (вот почему транзистор называют полевым), создаваемым приложенным к истоку и затвору напряжением.

Сказанное относится к транзистору с р-каналом, если же транзистор с n-каналом, полярность питающего и управляющего напряжений изменяется на обратную (рис. 1, в). Чаще всего можно встретить полевой транзистор в металлическом корпусе — тогда, кроме трех основных выводов, у него может быть и вывод корпуса, который при монтаже соединяют с общим проводом конструкции.

Рис 2.

Тонкий слой полупроводника типа п (или р), ограниченный с двух сторон электронно-дырочными переходами, называется каналом. Включение канала в электрическую цепь обеспечивается с помощью двух омических электродов, один из которых (И) называется истоком, а второй (С) — стоком. Вывод, подсоединенный к областям р-типа, является управляющим электродом и называется - затвором (3). Выводы И, С и 3 соответствуют (в порядке перечисления) катоду, аноду и сетке электровакуумного триода или эмиттеру, коллектору и базе обычного биполярного транзистора.

Величина тока в канале зависит от напряжения Uс, приложенного между стоком и истоком, нагрузочного сопротивления и сопротивления полупроводниковой пластинки между стоком и истоком. При U_c и R_н = сonst ток в канале Iс (ток стока) зависит только от эффективной площади поперечного сечения канала. Источник е_{зи создает отрицательное напряжение на затворе, что приводит к увеличению толщины р-п перехода и уменьшению токопроводящего сечения канала.}

С уменьшением сечения канала увеличивается сопротивление между истоком и стоком и снижается величина тока I_с. Уменьшение напряжения на затворе вызывает уменьшение сопротивления канала и возрастание тока Iс. Подключив последовательно с е_ЗИ источник усиливаемого переменного напряжения U_вх, можно изменять ток через канал по закону изменения входного напряжения. Ток стока, проходя через сопротивление нагрузки R_н, создает на нем падение напряжения, изменяющееся по закону U_вх. При соответствующем подборе величины R_н можно добиться повышения уровня выходного напряжения по сравнению с напряжением на входе, т. е. усилить сигнал.

Полевые транзисторы с изолированным затвором имеют структуру металл-диэлектрик (окисел) — полупроводник. Поэтому их часто называют MДП — или МОП - транзисторами. Принцип работы этих приборов основан на эффекте поля в поверхностном слое полупроводника.

На рис. 2 схематически показана конструкция такого транзистора. Основой прибора служит пластинка (подложка) монокристаллического кремния р-типа. Области истока и стока представляют собой участки кремния, сильно легированные примесью п-типа. Расстояние между истоком и стоком примерно 1 мкм. На этом участке расположена узкая слабо легированная полоска кремния л-типа (канал). Затвором служит металлическая пластинка, изолированная от канала слоем диэлектрика толщиной примерно 0,1 мкм. В качестве диэлектрика может использоваться выращенная при высокой температуре пленка двуокиси кремния.

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. Положительное напряжение на затворе способствует втягиванию электронов проводимости из подложки в канал. В этом режиме, получившем название режима обогащения, ток канала возрастает.

Таким образом, в отличие от полевого транзистора с р-п переходами транзистор с изолированным затвором может работать с нулевым, отрицательным или положительным напряжением на затворе.

Рис. 3

На рис. 3, а показан примерный вид семейства выходных (стоковых) вольтамперных характеристик полевого транзистора с р-п переходами

при .

Пусть напряжение между затвором и истоком Uзи = 0. При увеличении положительного напряжения Uс на стоке ток Iс будет нарастать. Вначале зависимость будет почти линейной (участок ОА на рис. 3, а). Однако с возрастанием Iс увеличивается падение напряжения на канале, повышается обратное смещение для р-п переходов (особенно вблизи стока), что ведет к сужению сечения токопроводящего канала и замедляет рост тока Iс. В конечном итоге у стокового конца пластинки канал сужается настолько, что дальнейшее повышение напряжения уже не приводит к росту Iс (участок АВ на рис. 7.24, а). Этот режим получил название режима насыщения, а напряжение Uс, при котором происходит насыщение, называется напряжением насыщения (U_c. нас.). Если снять зависимость тока Iс от напряжения Uс для ряда напряжений на затворе (U_зи < 0), то получим семейство выходных характеристик полевого транзистора.

Зависимость при U_c=const получила название стокозатворной характеристики (рис. 3, б).

Выходные характеристики полевого транзистора с изолированным затвором имеют такой же вид, как и характеристики транзистора с р-п переходами. Различие заключается лишь в том, что транзисторы с р-п переходами могут работать только в режиме обеднения (сужения) канала, а транзисторы типа МДП (или МОП) работают как в режиме обеднения (при отрицательных напряжениях на затворе), так и в режиме обогащения (при положительных напряжениях на затворе). По этой же причине стокозатворная характеристика транзистора с изолированным затвором может захватывать область положительных напряжений между затвором и истоком.

Основными параметрами полевых транзисторов являются:

Один из параметров полевого транзистора — начальный ток стока (I_{с нач}), т. е. ток в цепи стока при нулевом напряжении на затворе транзистора (на рис. 4, а движок переменного резистора в нижнем по схеме положении) и при заданном напряжении питания.

Если плавно перемещать движок резистора вверх по схеме, то по мере роста напряжения на затворе транзистора ток стока уменьшается (рис. 4, б) и при определенном для данного транзистора напряжении снизится практически до нуля. Напряжение, соответствующее этому моменту, называют напряжением отсечки (U_ЗИотс).

Зависимость тока стока от напряжения на затворе достаточно близка к прямой линии. Если на ней взять произвольное приращение тока стока и поделить его на соответствующее приращение напряжения между затвором и истоком, получим третий параметр — крутизну характеристики (S). Этот параметр нетрудно определить и без снятия характеристики или поиска его в справочнике. Достаточно измерить начальный ток стока, а затем подключить между затвором и истоком, скажем, гальванический элемент напряжением 1,5 В. Вычитаете получившийся ток стока из начального и делите остаток на напряжение элемента — получите значение крутизны характеристики в миллиамперах на вольт.

Знание особенностей полевого транзистора дополнит знакомство с его стоковыми выходными характеристиками (рис. 4, в). Снимают их при изменении напряжения между стоком и истоком для нескольких фиксированных напряжений на затворе. Нетрудно заметить, что до определенного напряжения между стоком и истоком выходная характеристика нелинейна, а затем в значительных пределах напряжения практически горизонтальна.

Конечно, для подачи напряжения смещения на затвор отдельный источник питания в реальных конструкциях не применяют. Смещение образуется автоматически при включении в цепь истока постоянного резистора нужного сопротивления.

Входное сопротивление R_вх между затвором и истоком (определяется при максимально допустимом напряжении между этими электродами)

Выходное сопротивление (определяется в режиме насыщения)

при U_зи = const.

Выходное сопротивление характеризуется тангенсом. угла наклона выходных характеристик. В рабочей области этот угол близок к нулю и, следовательно, выходное сопротивление оказывается достаточно большим (сотни килоом).

Рис.5

Толщина канала полевого транзистора W в рабочем состоянии зависит от ОПЗ р-п перехода и в соответствии с рис. 5 равна. В свою очередь зависит от напряжения W_ЗИ на р-п переходе. Используя выражение можно получить зависимость толщины канала от напряжения на затворе где — контактная разность потенциалов; - диэлектрическая проницаемость полупроводника; - диэлектрическая постоянная,; - заряд электрона,; N — концентрация примеси.

Для расчёта напряжения отсечки необходимо выражение приравнять к нулю, и получим Сопротивление сток-исток при U_ЗИ=0 определяется выражением, где L,d,Z-соответственно длина, толщина и ширина открытого канала;

— удельное сопротивление полупроводника п-типа электропроводности, где подвижность электронов в канале.

этому уравнению соответствует точка насыщения «А» на рис. 3, а.

Ёмкость затвора называемая барьерной педставляет собой приращения заряда к вызвавшему это изменение приращению напряжения.

где — площадь р-п перехода.

Кроме указанных выше, полевые транзисторы характеризуются рядом других максимально допустимых параметров, определяющих предельные режимы работы прибора.

К важнейшим достоинствам полевых транзисторов следует отнести:

1. Высокое входное сопротивление, достигающее в канальных транзисторах с р-п переходами величины 10⁶ — 10^а Ом, а в транзисторах с изолированным затвором 10¹³ — 10¹³ Ом. Такое высокое значение входного сопротивления объясняется тем, что в транзисторах с р-п переходами электронно-дырочный переход между затвором и истоком включен в обратном направлении, а в транзисторах с изолированным затвором входное сопротивление определяется очень большим сопротивлением утечки диэлектрического слоя.

2. Малый уровень собственных шумов, так как в полевых транзисторах, в отличие от биполярных, в переносе тока участвуют заряды только одного знака, что исключает появление рекомбинационного шума.

3. Высокая - устойчивость против температурных и радиоактивных воздействий.

4. Высокая плотность расположения элементов при использовании приборов в интегральных схемах.

Полевые транзисторы могут быть использованы в схемах усилителей, генераторов, переключателей. Особенно широко применяются они в малошумящих усилителях с высоким входным сопротивлением. Весьма перспективным является также использование их (с изолированным затвором) в цифровых и логических схемах.

2) Задание на расчёт ДАНО

1. Структура: полевой транзистор с управляющим р - п переходом на основе кремния с каналом п - типа электропроводности и двумя затворами (рис.)

2. Геометрические размеры канала: толщина d = 1 мкм, ширина Z = 500 мкм, длина L = 25 мкм.

3. Электрические параметры: концентрация донорной примеси в канале N_Д = 6•10¹⁵ см^-3, концентрация акцепторной примеси в р — областях затворов N_a = 1•10¹⁸см^-3

ОПРЕДЕЛИТЬ

1. Основные электрические параметры: сопротивление полностью открытого канала R_{CИ отк}, напряжение отсечки U_{ЗИ отс, е}мкость затвора C_ЗИ, максимальную частоту роботы

2. Передаточную характеристику и связанные с нею параметры: начальный ток стока I_{C нач}, напряжение насыщения U_{CИ нас}, крутизну характеристики передачи .

3) Порядок расчёта

1. Определяем основные электрические параметры.

2. Сопротивление полностью открытого канала при U_ЗИ = 0 и U_СИ = 0 Находим, используя выражение удельное сопротивление исходного материала находим по заданной концентрации донорной примеси в канале с помощью графика Рис.6

Рис.6

Напряжение отсечки определяем по формуле

где

— собственная концентрация носителей заряда. В кремния собственная концентрация носителей заряда равна. — постоянная Больцмана1,38 • 10^-23 Дж •К^-1 = 300 К — заряд електрона, = 1,6•10^-19 Кл. Тогда будет равно

Диэлектрическая проницаемость кремния =12

Ёмкость затвора рассчитаем как барьерную ёмкость р-п перехода при напряжении на затворе U_зи = 0 для резкого перехода, что справедливо в случае неглубокой диффузии, когда градиент концентрации примеси в р-п переходе велик, или в случае сплавной технологии образования затвора, получаем Максимальную (рабочую) частоту можно найти по формуле

3. Расчёт передаточной характеристики начинают с определения начального тока стока с помощью соотношения Передаточная характеристика на участке насыщения рассчитывается согласно выражению Задавая значения U_ЗИ найдём значения I_C

Крутизну передаточной характеристики находим, подставив в выражение формулу

На участке насыщения в зависимости от тока стока получаем

Задаваясь напряжением на затворе, находим напряжение насыщения между стоком и стоком с помощью выражения

Вывод

В результате проведённых расчетов основных электрических параметров полевого транзистора были получены следующие результаты:

Сопротивление полностью открытого канала R_{СИ отк,} Напряжение отсечки U_ЗИ отс, емкость затвора С_ЗИ, максимальную частоту работы полевого транзистора, определена передаточная характеристика и связанные с нею параметры: начальный ток стока I_{C нач}, напряжение насыщения U_CИ нас, крутизна характеристики передачи, нарисованы диаграммы.

1. Денискин Ю. Д., Жигарев А. А., Смирнов Л. П. Электронные приборы. М.: Энергия, 1980.

2. Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Горбунов Ю. И. Микроэлектроника. М.: Высшая школа, 1987.

3. Морозова И. Г.

4. Физика электронных приборов. М.: Атомиздат, 1980.

5. Пасынков В. В., Чиркин Л. К.

6. Полупроводниковые приборы. М.: Высшая школа, 1987

7. Справочник по элементам радиоэлектронных устройств / Под общей редакцией А. А. Куликовского. М.: Энергия, 1977.