Лабораторная работа "Исследование полевых транзисторов"

Цель работы: Изучение устройства и принципа действия полевых транзисторов. Снятие статических характеристик и определение по ним параметров транзисторов.

Теоретическое обоснование работы.

Биполярные транзисторы управляются током, вследствие чего имеют малое входное сопротивление, что в ряде случаев является недостатком. Поэтому были разработаны специальные транзисторы с большим входным сопротивлением - полевые транзисторы. Термин "полевой" подчеркивает, что управление выходным током в этом полупроводниковом приборе осуществляется электрическим полем, а не током, как в биполярных транзисторах.

Для того, чтобы управлять током в полупроводнике с помощью электрического поля, нужно менять либо площадь проводящего полупроводникового слоя, либо его удельную проводимость. В полевых транзисторах используют оба способа, и соответственно, различают две разновидности полевых транзисторов: транзистор с управляющим p-n переходом и МДП - транзисторы (структура металл-диэлектрик-полупроводник).

МДП - транзисторы, в свою очередь, подразделяют на МДП - транзисторы с индуцированным и со встроенным каналом. Работа полевых транзисторов основана на использовании только одного типа носителей - основных, поэтому они еще называются униполярными.

Основным элементом полевого транзистора с управляющим p-n переходом (рис. 1) является пластина полупроводника n-типа, на которую с двух сторон нанесены слои полупроводника p-типа. На торцы полупроводниковой пластины n-типа и на две области p-типа нанесены металлические пленки, к которым припаяны омические контакты, а два слоя p-типа соединены между собой; электрод, образованный двумя слоями p-типа, называют затвором (З). Один из электродов, подключенный к полупроводнику n-типа, от которого движутся электроны, называют истоком (И), а электрод, к которому движутся электроны - стоком (С). Между полупроводниками с разными типами электропроводности образуются два электронных перехода. Тонкий слой полупроводника n-типа, расположенный между двумя p-n переходами, называют проводящим каналом.

В основе работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом лежит изменение площади поперечного сечения проводящего канала. Когда напряжение проводящего канала на p-n переходе равно нулю, площадь поперечного сечения проводящего канала максимальна, а электрическое сопротивление между источником минимально. Если подвести к затвору внешнее напряжение U_зи такой полярности, чтобы оба p-n перехода были смещены в обратном направлении, то в проводящем канале появится обедненный слой (слой изолятора), который уменьшает площадь поперечного сечения проводящего канала. Это приводит к возрастанию электрического сопротивления между источником и стоком транзистора. Изменяя напряжение U_зи, можно регулировать электрическое сопротивление проводящего канала.

Рис.1. Конструкция полевого транзистора с n-каналом

Если между истоком и стоком подвести внешнее напряжение U_си ("минус" к истоку), то под влиянием разности потенциалов в полупроводниковой пластинке n-типа начнется дрейф электронов от источника к стоку, который создает ток стока I_c. Этим током можно управлять, изменяя напряжение как U_зи, так и U_си. При этом включение напряжения U_си меняет конфигурацию проводящего канала. Это связано с тем, что при наличии напряжения U_си потенциалы канала стокового и истокового концов оказываются равными. Напряжение на p-n переходе у истокового конца равно U_зи, а у стокового конца U_зи+U_си, поэтому объединенная область у стокового конца будет шире, чем у истокового (см. рис.1).

При некотором отрицательном напряжении U_зи обедненные слои обоих переходов могут сомкнуться, площадь поперечного сечения проводящего канала станет равной нулю, сопротивление канала окажется равным бесконечности, а ток I_c равный нулю – транзистор закрыт. Напряжение между затвором и истоком, при котором транзистор закрывается, называют напряжением отсечки U_{зи отс}.

Работа МДП - транзистора основана на изменении удельного сопротивления канала. При создании разности потенциалов между объемом полупроводника и изолированным электродом (затвором) у поверхности полупроводника образуется слой с концентрацией носителей зарядов, отличной от концентрации в остальном объеме полупроводника - канал, сопротивлением которого можно управлять, изменяя напряжение на затворе (см. рис.2)

а) б)

Рис.2. Полевые транзисторы с а) индуцированным,

б) со встроенным каналами

В МДП - транзисторе с индуцированным каналом (рис.2,а) при U_зи=0 канал отсутствует, а между стоком и истоком оказываются встречно включенными два p-n переходом, поэтому ток I_с в этом случае практически равен нулю. Если подать на затвор положительное напряжение (U_зи>0), то возникающее при этом электрическое поле будет отталкивать дырки вглубь p-полупроводника. При некотором пороговом напряжении между стоком и истоком накапливается достаточный слой электронов - создается проводящий канал. Толщина этого канала, равная 1-2 нм, практически неменяется при изменении напряжения U_зи. Сопротивление канала зависит только от концентрации электронов в нем, поэтому, изменяя U_зи, можно менять ток такого

МДП - транзистора. В МДП - транзисторе со встроенным каналом (рис.2,б) при U_зи=0 между стоком и истоком будет некоторый ток I'_c. Такие транзисторы работают как при положительных, так и при отрицательных напряжениях на затворе. При отрицательном напряжении наблюдается режим обеднения, когда электрическое поле, создаваемое напряжением U_зи, выталкивает электроны из канала, уменьшая его удельную проводимость. При положительном напряжении U_зи наблюдается режим обогощения, когда электрическое поле втягивает электроны в канал из p-области, что увеличивает удельную проводимость канала.

В качестве исходной полупроводниковой пластинки во всех видах полевых транзисторов могут быть использованы полупроводники как n-типа, так и p-типа. Поэтому различают полевые транзисторы n- и p- типов. В настоящее время используются шесть видов полевых транзисторов, (таблица 1)

Таблица 1

Тип транзистора N – каналом Р – каналом

С управляющим p-n-

переходом

МДП с индуцирован-

ным каналом

МДП со встроеным

каналом

Наиболее полно работа полевых транзисторов описывается семейством выходных статических вольт-амперных характеристик (рис. 3), которые для всех типов полевых транзисторов практически одинаковы.

а) б) в)

Рис.3. Статические ВАХ транзисторов; полевых с управляющим p-n переходом - (а), и МДП с индуцированным - (б), и встроенным - (в) - каналом.

Начнем с характеристики I_c=f(U_си) при U_зи=0 полевого транзистора с управляющим p-n переходом. При малых значениях U_си ток I_c увеличивается с ростом U_си почти по линейному закону. Затем наступает режим насыщения, при котором рост тока I_c с повышением напряжения практически прекращается. Это происходит потому, что с увеличением тока площадь поперечного сечения проводящего канала уменьшается и при достаточно больших значениях I_c наступает своеобразное динамическое равновесие – увеличение тока I_c вызывает сужение канала, которое приводит к уменьшению тока и наоборот. При достаточно большом напряжении U_си наблюдается резкий рост тока I_c, обусловленный электрическим пробоем p-n-перехода у стокового конца канала.

При U_зи<0 вид характеристики I_c=f(U_си) будет таким же, как и при U_зи=0, только из-за того, что превоначальная площадь поперечного сечения проводящего канала будет меньше, начальное значение тока I 4c 0 также будет меньше. Уменьшается и напряжение насыщения, и напряжение пробоя.

Отличие выходных характеристик разных типов МДП - транзисторов (рис.3.б,в) заключается в расположении характеристик при U_зи=0. В МДП - транзисторе со встроенным каналом (рис.3.в) эта характеристика располагается посредине семейства. Выше ее идут характеристики, соответствующие режиму обогощения, а ниже - режиму обеднения.

Рассмотренные выше характеристики МДП - транзисторов справедливы для случая, когда его подложка (П) соединена с истоком. Подложку можно также использовать в качестве дополнительного электрода, напряжение на котором управляет током в проводящем канале транзистора. В этом случае подложку называют нижним затвором. Механизм управления током оказывается совершенно аналогичным механизму действия затвора, а семейство характеристик I_c=f(U_си) при U_пи=const имеет тот же вид, что и характеристик при U_зп=const.

Основными параметрами полевых транзисторов является: крупизна характеристики S, коэффициент усиления  и внутреннее сопротивление R_i. Крутизной характеристики полевого транзистора называют отношение изменения тока стока к вызвавшему его изменению напряжения на затворе при U_cи=const:

S = Ic  Uзи

Коэффициент усиления  полевого транзистора называют отношение изменения напряжения стока и вызвавшему его изменению напряжения на затворе при I_c=const

 =  U_cи   U_зи

Внутренним сопротивлением R 4i 0 полевого транзистора называют отношение изменения напряжения стока к соответствующему изменению тока стока при U 4зи 0=const:

R_i =  U_cи   I_c

Коэффициент усиления, кривизна характеристики и внутреннее сопротивление полевого транзистора связаны между собой соотношением:

m = S_i

Рабочей областью полевых транзисторов является область динамического равновесия, в которой S = 0.3 - 3 мА/В, а R_i - составляет несколько мегаом. Важнейшими особенностями полевых транзисторов является их очень высокие входное сопротивление (до 10¹⁵ Ом) и граничная частота (до 1 ГГц). С конструктивной точки зрения полевые транзисторы, особенно МДП - транзисторы, являются весьма прогрессивными активными элементами.