СТАВРОПОЛЬСКОЕ ВЫСШЕЕ ВОЕННОЕ ИНЖЕНЕРНОЕ УЧИЛИЩЕ СВЯЗИ

Кафедра радиоэлектроники

«УТВЕРЖДАЮ»
НАЧАЛЬНИК КАФЕДРЫ					Экз.№
полковник В.НИКУЛИН
		199 г.

ЛЕКЦИЯ

по учебной дисциплине

Электронные, твердотельные приборы и микроэлектроника

для курсантов

2 –х курсов факультетов 1,2,3.

Тема:

№ 7

Полевые транзисторы

Лекция	№15	Полевые транзисторы
			Обсуждено на заседании кафедры (ПМК)
							199 г.
			Протокол №

Ставрополь 1997 г.

Учебные и воспитательные цели:
Время ........................	90 мин.
Учебно-материальное обеспечение
Распределение времени лекции
Вступительная часть ........................	3 мин.
Проверка готовности курсантов к лекции..............................	5 мин.
Учебные вопросы лекции 1. Устройство, принцип действия и характеристики полевых транзисторов с управляющим p-n переходом. 2. Устройство, принцип действия и характеристики полевых транзисторов с изолированным затвором. Заключение	3 мин.
Задание курсантам для самостоятельной работы..................	3 мин.

В 1956 американским ученым Шокли, Браттейну и Бардину была присуждена высшая научная награда – Нобелевская премия по физике за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта. Но в течение всего времени, пока проводились эксперименты, которые привели к появлению первого транзистора, Шокли сохранял веру в то, что может быть создан более простой прибор, полевой транзистор.

От появления идеи создания усилительного прибора на кристалле до ее осуществления прошло более 30 лет.

Полевой транзистор – это электропреобразовательный прибор, в котором ток через канал управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности электрических сигналов.

Канал – это область полупроводникового кристалла, в которой поток носителей заряда регулируется изменением ее поперечного сечения.

Истоком называют электрод полевого транзистора, через который в канал втекают носители заряда.

Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком.

Электрод полевого транзистора, к которому прикладывается управляющее напряжение, называют затвором.

В литературе часто полевые транзисторы называют униполярными, так как принцип их работы основан на управлении движением носителей заряда только одного знака (основных носителей), в отличие от биполярных транзисторов, в которых физические процессы связаны с движением носителей заряда обоих знаков.

Различают два типа полевых транзисторов:

• полевые транзисторы с управляющим p-n переходом;

• полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП – транзисторы).

Главное достоинство полевых транзисторов – высокое входное сопротивление, которое может быть даже больше, чем у электронных ламп.

1. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещенных в обратном направлении (рис. 1).

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала p-n переходом, смещенном в обратном направлении.

Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и p-каналом, противоположны. Действие этого прибора основано на зависимости толщины p-n перехода от приложенного к нему напряжения. Поскольку запирающий слой почти полностью лишен подвижных носителей заряда, его проводимость мала как у собственного полупроводника. Ограничивая с одной из боковых сторон токопроводящий канал (образуемый примесным полупроводником пластины), запирающий слой тем самым определяет величину сечения этого канала (а, значит, и его сопротивление).

Рис. 1. Простейший полевой транзистор с управляющим p-n переходом

Если подключить к каналу источник напряжения, то через пластинку полупроводника между омическими контактами потечет ток, величина которого зависит от приложенного напряжения и сопротивления канала.

При подаче отрицательного напряжения на затвор запирающий слой расширяется, что приводит к сужению токопроводящего канала и к увеличению его сопротивления.

Для обеспечения эффективного управления сечением канала управляющий p-n переход делают резко несимметричным, так, чтобы запирающий слой в основном располагался в толще полупроводниковой пластинки, имеющей относительно малую концентрацию основных носителей, т. е. n_n<<p_p.

Поскольку управление сечением канала (и соответственно током канала I_к) производится с помощью обратно смещенного p-n перехода (участок затвор – исток), то входное сопротивление транзистора оказывается очень большим, что выгодно отличает этот полупроводниковый прибор от биполярного транзистора. Малый обратный ток управляющего p-n перехода к процессу управления отношения не имеет. Управление толщиной канала осуществляется напряжением U_ЗИ или, в конечном итоге, электрическим полем, возникающим в запирающем слое без осуществления инжекции носителей заряда.

При прямом включении управляющего p-n перехода (U_ЗИ> 0) возникает большой прямой ток затвора и сопротивление участка затвор-исток резко уменьшается, поэтому такое включение полевого транзистора не применяют.

Статические характеристики. Полевой транзистор, как и биполярный, можно представить в виде эквивалентного четырехполюсника. В условиях работы транзистора с сигналами малых амплитуд такой четырехполюсник можно считать линейным. Поскольку полевой транзистор – прибор, управляемый напряжением, для описания его свойств удобно использовать систему уравнений с y-параметрами:

(1)

Для наиболее употребительной схемы включения (с ОИ) токи и напряжения в четырехполюснике имеют следующий смысл: i₁ = I_З; u₁ = U_ЗИ; i₂ = I_С; u₂ = U_СИ.

Система y-параметров служит основной системой параметров полевого транзистора.

В соответствии с системой уравнений (1) в качестве статических характеристик полевого транзистора могут быть использованы следующие функциональные зависимости между напряжениями и токами электродов прибора:

–входная характеристика,	(2)
–характеристика обратной передачи	(3)
–характеристика прямой передачи	(4)
–выходная характеристика	(5)

Выходные (стоковые) статические характеристики полевого транзистора представляют собой зависимости тока стока от напряжения на стоке при различных постоянных напряжениях на затворе I_C = f (U_СИ) при U_ЗИ = const (рис. 2, а) и являются основным семейством характеристик полевого транзистора.

Рис.2. Статические стоковые (а) и стоко-затворные (б) характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом и каналом n-типа

Рассмотрим кривую I_C = f (U_СИ) при U_ЗИ = 0. Характеристика выходит из начала координат под углом, соответствующим начальному статическому сопротивлению канала, определяемому его длиной и поперечным сечением, зависящим от толщины p-n перехода (или переходов). Вначале, при малых значениях напряжения U_СИ ток I_C увеличивается с ростом U_СИ почти по линейному закону. Некоторое отклонение этого участка характеристики от прямолинейной зависимости объясняется сужением канала у стокового конца, где напряжение на переходе равно U_ЗИ+U_СИ, и, как следствие, увеличением сопротивления канала. При дальнейшем увеличении напряжения U_СИ наступает так называемый режим насыщения: рост тока I_C с увеличением напряжения на стоке почти прекращается (пологий участок характеристики). Это происходит в результате дальнейшего сужения канала у стокового конца. При достаточно больших напряжениях на стоке канал стягивается в узкую полоску (горловину). Наступает своеобразное динамическое равновесие: увеличение напряжения U_СИ и соответствующий рост тока I_C вызывают дальнейшее сужение канала, что в свою очередь уменьшает ток, и наоборот. Напряжение на стоке, при котором наступает этот режим, называется напряжением насыщения U_СИнас.

При достаточно высоком напряжении U_СИ наблюдается резкий рост тока I_C, обусловленный пробоем p-n перехода у стокового конца канала, так как в этой части канала к переходу оказывается приложенным наибольшее суммарное обратное напряжение.

При подаче на затвор отрицательного напряжения режим насыщения наступает при меньших значениях напряжения на стоке; меньше становится и ток стока I_C, так как поперечное сечение канала уменьшается по всей длине; при меньших напряжениях U_СИ наступает и пробой перехода.

На рис. 2, б показана статическая стоко-затворная характеристика (характеристика передачи), представляющая собой зависимость тока стока от напряжения на затворе при различных постоянных напряжениях на стоке I_C = f (U_ЗИ) при U_СИ = const.

Так как основным рабочим режимом полевых транзисторов является режим насыщения тока стока, что соответствует пологим участкам характеристик, то наибольший интерес представляет зависимость тока насыщения от напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке. Характер этой зависимости ясен из принципа действия полевого транзистора с управляющим p-n переходом. При изменении напряжения на стоке смещением характеристик можно практически пренебречь в связи с малым изменением тока стока в пологой части выходных статических характеристик (рис. 2, а).

Напряжение между затвором и истоком полевого транзистора с управляющим p-n переходом, при котором ток стока достигает заданного низкого значения, называют напряжением отсечки полевого транзистора U_ЗИотс.

Входная характеристика полевого транзистора представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики p-n перехода. Ток затвора (входной ток) зависит от напряжения между стоком и истоком. Наибольшей величины он достигает при коротком замыкании выводов стока и истока.

При отрицательном напряжении U_ЗИ и в режиме холостого хода в цепях сток–исток и сток–затвор в цепи затвор-исток течет обратный ток I_ЗИо, а в цепи затвор-сток – обратный ток I_ЗСо.

В любом из этих случаев обратный ток через переход очень мало зависит от напряжения U_ЗИ, что, как известно, характерно для обратной ветви характеристики p-n перехода. Это обстоятельство обусловливает очень высокое входное дифференциальное сопротивление прибора R_вх.диф.