Полевые транзисторы

Государственный университет природы, общества и человека «Дубна»

Кафедра персональной электроники Реферат по дисциплине Физические основы микроэлектроники

" Полевые транзисторы"

Выполнила студентка гр.3142

Дудина Е.А.

Проверил: Раевский Г. П.

Дубна, 2012

• Введение
• Устройство полевого транзистора
• Схемы включения полевого транзистора
• Эквивалентная схема полевого транзистора
• Параметры полевого транзистора
• Частотные свойства
• Шумовые свойства
• Тепловые параметры
• Максимально допустимые параметры
• Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов
• Список использованной литературы

Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом.

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 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. Основные материалы из которых изготовляют транзисторы — кремний и германий.

полевой транзистор схема параметр

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 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 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. 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. 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. МДП — транзистор со встроенным каналом может работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения канала основными носителями заряда.

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.

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.

Параметры полевого транзистора

Входная проводимость определяется проводимостью участка затвор — исток у_ЗИ. = у₁₁ + у_12; 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.

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.

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.

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.

Рис. 6. Зависимость тока утечки затвора полевого транзистора от температуры.

Зависимость крутизны характеристики от температуры у полевых транзисторов такая же как и у тока стока. С ростом температуры ток утечки затвора увеличивается. Хотя абсолютное изменение тока незначительно, его надо учитывать при больших сопротивлениях в цепи затвора. В этом случае изменение тока утечки затвора может вызвать существенное изменение напряжения на затворе полевого транзистора и режима его работы. Температурная зависимость тока утечки затвора полевого транзистора с р-п переходом приведена на рис. 6. В полевом транзисторе с изолированным затвором ток затвора практически не зависит от температуры.

Максимально допустимые параметры

Максимально допустимые параметры определяют значения конкретных режимов полевых транзисторов, которые не должны превышаться при любых условиях эксплуатации и при которых обеспечивается заданная надежность. К максимально допустимым параметрам относятся: максимально допустимое напряжение затвор — исток U_ЗИmax, затвор — сток U_ЗСmax, сток — исток U_СИmax, максимально допустимое напряжение сток — подложка U_СПmax, исток — подложка U_ИПmax, затвор — подложка U _ЗПmax. Максимально допустимый постоянный ток стока I _Сmax максимально допустимый прямой ток затвора I_{З (пр) max,} максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность Р_max.

Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов

а б

Рис. 7. Вольт-амперные характеристики полевого транзистора со встроенным каналом n — типа: а) — стоковые; б) — стоко-затворные.

Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов устанавливают зависимость тока стока I _C от одного из напряжений U_СИ или U_ЗИ при фиксированной величине второго.

Рекомендации по применению полевых транзисторов.

Полевые транзисторы имеют вольт-амперные характеристики, подобные ламповым, и обладают всеми принципиальными преимуществами транзисторов. Это позволяет применять их в схемах, в большинстве случаев использовались электронные лампы, например, в усилителях постоянного тока с высокоомным входом, в истоковых повторителях с особо высокоомным входом, в электрометрических усилителях, различных реле времени, RS — генераторах синусоидальных колебаний низких и инфранизких частот, в генераторах пилообразных колебаний, усилителях низкой частоты, работающих от источников с большим внутренним сопротивлением, в активных RC — фильтрах низких частот. Полевые транзисторы с изолированным затвором используют в высокочастотных усилителях, смесителях, ключевых устройствах.

В рекомендации по использованию транзисторов для случая полевых транзисторов следует внести дополнения:

1. На затвор полевых транзисторов с р-п (отрицательное для транзисторов с р — каналом и положительным для транзистора с п — каналом).

2. Полевые транзисторы с изолированным затвором следует хранить с закороченными выводами. При включении транзисторов в схему должны быть приняты все меры для снятия зарядов статического электричества. Необходимую пайку производить на заземленном металлическом листе, заземлить жало паяльника, а так же руки монтажника при помощи специального металлического браслета. Не следует применять одежду из синтетических тканей. Целесообразно подсоединять полевой транзистор к схеме, предварительно закоротив его выводы.

1. Терещук Р. М. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя / 4-е издание, стер. — Киев: Наук. Думка 1989. — 800с.

2. Бочаров Л. Н. Полевые транзисторы. — М.: Радио и связь, 1984, — 80 с.

3. Полупроводниковые приборы: транзисторы: Справочник / Н. Н. Горюнова. 1985.904с.