823
.pdfСоставной транзистор может быть выполнен и на разнополярных транзисторах. В этом случае он будет являться эквивалентом транзистора VT1 . Схема составного транзистора р-п-р- и и-/?-и-типа представлена соот ветственно на рис. 2.53, я, б.
3. РАЗНОВИДНОСТИ ТРАНЗИСТОРОВ
Л е к ц и я 12
3.1.Дрейфовый транзистор
Вдрейфовых транзисторах движение носителей по базе происходит в основном за счет дрейфовых сил, вызванных собственным полем базы. Поле базы этих транзисторов возникает из-за изменения концентрации примеси по длине базы от коллектора к эмиттеру. Технология изготовле ния дрейфовых транзисторов основана на том, что база образуется диффу зией присадки в исходный кристалл, который является коллектором, а эмиттер вплавляется в базу (сплавно-диффузионная технология) или обра зуется за счет дифундирования примеси через «окошко» в защитной плен ке окисла кремния (планарная технология). В обоих случаях концентрация примеси в эмиттере значительно больше, чем в базе. При этом получается, что часть базы, прилегающая к коллектору, является почти собственным полупроводником, а часть базы, прилегающая к эмиттеру, - примесным полупроводником с малым удельным сопротивлением. Кроме того, диф фузионная технология позволяет получить очень тонкую базу (доли мик рон), что уменьшает время пролета носителей в базе. Как было показано ране^ изменение концентрации примеси приводит к изменению уровня Ферми, но так как уровень Ферми внутри кристалла изменяться не может, то изменяются зоны проводимости и валентной зоны по длине базы или появляется перепад электростатического по
тенциала Асре внутри базы (рис. 3.1), который ускоряет движение носителей от эмиттера к ба зе по сравнению с диффузионным движением, существующим в бездрейфовом транзисторе. Ускоряющее поле и малая толщина базы спо собствуют тому, что коэффициенты передачи входного тока а и р становятся значительно больше, чем у диффузионных транзисторов. По тем же причинам возрастают предельные час-
/ 3 |
Р |
|
LL |
Б |
к / |
|
||
|
М |
|
|
|
|
ЗП |
ФЯ !зп |
|
1 |
ф/г
вз
тоты дрейфовых транзисторов, которые могут достигать десятков гига герц. Из-за низкой концентрации примеси в коллекторе и в зоне базы, примыкающей к коллектору, ширина обедненной области перехода воз растает, что приводит к снижению величины барьерной емкости Ск, а сле довательно, к улучшению импульсных и частотных свойств транзистора. К недостаткам следует отнести более низкие предельные напряжения и до пустимые мощности рассеивания на коллекторе. Вольт-амперные характе ристики, схемы замещения и параметры дрейфового транзистора такие же, как и диффузионного.
3.2. Однопереходный транзистор
Конструктивно однопереходный транзистор устроен следующим об разом. Слабо лигированная кремниевая пластинка «-типа (рис. 3.2) имеет два вывода - базу 1 (БО и базу 2 (Бг) (двухбазовый диод). В эту пластинку вблизи базы 1 внедряют точечную р-область
-эмиттер. Напряжение t/g, приложенное к Б\
иБг, распределяется линейно по длине пла стинки, и величина напряжения пропорцио
нальна длинам 1\ и /2 . Полярность напряже ния, которое падает на участке /2 , является запирающей для перехода эмиттер - база 1. (см. рис. 3.2). Следовательно, при U3 = 0 в эмиттере будет протекать обратный ток /эо, величина которого определяется неосновны ми носителями. Если подать на переход эмит
тер - база 1 напряжение 11э прямой полярности и по величине больше, чем падение напряжения на участке /2 , то эмитгерный переход откроется и база пополнится носителями, инжектированными из эмиттера. Сопротивление базы уменьшится, а следовательно, уменьшится падение напряжения на участке /2 , что приведет к возрастанию тока эмиттера и уменьшению со противления базы на участке /2 . Этот процесс увеличения тока и снижения сопротивления происходит лавинно, и ток эмиттера возрастает скачком до величины, которая определяется внешним сопротивлением R\ (рис. 3.3). Следовательно, ВАХ однопереходного транзистора (рис. 3.4) имеет уча сток с отрицательным дифференциальным сопротивлением, указанный на ВАХ пунктирной линией.
Если в цепь базы 1 включено сопротивление R\, то, используя второй закон Кирхгофа, можно записать
^ э - б 1 = ^вх ” M l •
Это уравнение называется уравнением нагрузочной прямой, и графи ком его является прямая линия (см. рис. 3.4), проходящая через точки хо лостого хода (/э = 0) и короткого замыкания (С/э _ ^ = 0). Как видно, на
грузочная прямая пересекает статическую ВАХ однопереходного транзи стора в трех точках (А, В, С), из них устойчивыми являются точки А и В. Следовательно, в зависимости от величины UEX ток эмиттера принимает значение либо / э^ , либо / э^ Переход из одного состояния в другое про
исходит скачком при достижении UEXзначений UEKJl и (7ВЫКЛ. Таким обра зом, однопереходный транзистор можно использовать как пороговое или переключающее устройство в импульсных схемах и схемах высокочастот ных генераторов прямоугольных импульсов. Величину UBKJl можно изме нять, меняя соотношение сопротивлений R\ и Ri.
К достоинствам такого транзистора следует отнести простоту конст рукции, стабильность JJEкл, малое потребление тока, высокое быстродейст вие.
3.3. Полевые транзисторы
Полевой транзистор представляет собой полупроводниковый элемент электрической цепи, проводимость которого меняется с помощью элек трического поля, отсюда и произошло его название. При этом ток управле ния практически отсутствует (требуется только напряжение, которое соз дает электрическое поле), а следовательно, значительно снижается мощ ность входного сигнала и увеличивается входное сопротивление транзи стора. В этом его главное достоинство. Иногда полевой транзистор назы вают униполярным транзистором, подчеркивая этим, что в отличие от би полярных транзисторов его работа основана на использовании одного типа
носителей электронов или дырок. В зависимости от конструктивных осо бенностей полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с управ ляемым р-л-переходом и транзисторы со структурой металл - диэлектрик - полупроводник (транзисторы типа МДП).
3.3.1. Полевой транзистор с управляемым р-л-переходом
На рис. 3 . 5 представлена одна из возможных конструкций такого транзистора. В этой конструкции полупроводниковым элементом, изме няющим свою проводимость, является канал, имеющий значительно меньшее сечение, чем область стока и истока.
Канал размещается между двумя слоями противоположной проводи мости, которые электрически соеди нены между собой. Выходной элек трод этих двух слоев носит название затвора. Пунктиром показан обед ненный слой р-л-перехода, который расположен в области канала. При такой конструкции ток стока /с будет зависеть от напряжения £/с _ и и сече ния канала как участка цепи с мень шим сечением и, следовательно, с большим сопротивлением. Сечение канала можно изменять, изменяя об ратное напряжение (электрическое поле) р-л-перехода затвор - исток, так как при этом увеличивается ширина
обедненного слоя. Следовательно, в такой конструкции можно менять вы ходной ток /с, изменяя входное напряжение U3_ и. Для усиления входного сигнала по напряжению в цепь стока необходимо включить добавочное сопротивление такой величины, чтобы падение напряжения на нем было больше, чем AUBX(Д/с#Доб > At/Bx)-
Статические вольт-амперные характеристики транзистора. Прак тическое применение имеют два вида статических ВАХ. Это выходные ха
рактеристики / с = F(UC_HL T _ |
(рис. 3.6) и проходные, или сток- |
v ^_Ц—COnSt |
|
=cQnst (рис. 3.7).
с и
h
Выходные характеристики полевого транзистора внешне похожи на выходные характеристики биполярных транзисторов в схеме с ОЭ. На чальный участок этой характеристики близок к линейной зависимости, од нако с увеличением (Jc_и наступает насыщение, которое связано с тем, что сечение канала меняется не только от напряжения на затворе, но и от на пряжения Uc_ и. Поясним это следующим образом. Рассмотрим характери стику U3_ и = 0, в этом случае затвор и исток
соединены вместе (закорочены) и все напря жение сток - исток приложено к переходу за твор - канал. Протекающий ток /с создает па дение напряжения на канале, которое линейно изменяется по длине канала, имея максималь ный потенциал в области канала, примыкаю щего к стоку (рис. 3.8). Поэтому канал при увеличении Uc_ и будет сужаться неравномер но по длине, сильнее вблизи стоковой облас ти, как это показано на рис. 3.8. Рост тока /с приводит к увеличению падения напряжения на канале и, следовательно, к сужению «гор
ловины» вблизи стоковой области. При напряжении Uc _ и, близком к на пряжению насыщения Uc _ и нас, сужение канала будет ощутимо снижать ток /с и, следовательно, уменьшать падение напряжения, что, в свою оче редь, вызовет увеличение тока. В результате установится динамическое равновесие - ток стока практически перестанет изменяться. Если напряже ние на затворе не равно нулю, то падение напряжения на канале суммиру ется с напряжением на затворе и процесс насыщения наступает при мень ших значениях Uc_ и. Кривая изменения Uc _ и нас при разных значениях
Uc ~ и показана на рис. 3.6 пунктирной линией. Напряжение насыщения может быть найдено следующим образом:
где U3- H- напряжение на затворе; U3_ иотс - напряжение на затворе в ре жиме отсечки. Режим отсечки соответствует такому напряжению на затво рах, при котором канал полностью перекрывается обедненной областью и ток стока определяется только неосновными носителями. Этот ток очень мал ( 1 0 ^—10 _ 9 А) и часто принимается равным нулю (см. рис. 3.7). Семей ство проходных характеристик обычно задается при £/с _ и > Uc _ инас, а так как при таких напряжениях ток стока практически не изменяется, то про ходные характеристики мало отличаются друг от друга и задаются одной характеристикой (см. рис. 3.7).
При расчетах электронных схем часто удобно пользоваться малосиг нальными параметрами полевого транзистора:
, |
|
dlr |
, которая чем больше, |
- крутизной характеристики Ъ= - |
|
||
|
&U.з - и |
Uc = const |
тем больше коэффициент усиления усилителя на полевом транзисторе по напряжению. Величина этого параметра зависит от размеров канала, а именно от отношения ширины к длине. Измеряется крутизна в миллимет рах на вольт;
- дифференциальным сопротивлением стока г = — с ~ и |
„ |
d/ с |
|
с |
^ 3_ H=const |
которое измеряется в омах и в справочных данных приводится для участка насыщения;
статическим коэффициентом усиления по напряжению , величиной безразмерной, значительно большей едини-
dU,
1г =const
цы.
Все эти параметры связаны внутренним уравнением транзистора р = src, поэтому, зная два параметра, можно определить третий или, если мы их находим графическим путем по ВАХ, то можно проверить правиль ность их нахождения. При анализе и расчете электронных схем на полевых транзисторах приходится пользоваться малосигнальной эквивалентной схемой замещения транзистора, представленной на рис. 3.9. В этой схеме генератор тока SU3_ n = / с отражает усилительные свойства транзистора,
а сопротивления г3_ с , г3_ и, гс_ и - дифференциальные сопротивления цепей затвор - сток, затвор - исток, сток - исток; С3 _ с , С3_ и , Сс _ и - паразитные емкости соответствующих областей.
Рис. 3.9
Полевой транзистор так же, как и биполярный,может иметь три схемы включения: общий исток, общий сток и общий затвор. В усилительной технике третий вариант включения не нашел применения.
3.3.2. Полевые транзисторы типа МДП
МДП-транзисторы могут быть двух типов - со встроенным каналом и с индуцируемым каналом. Принцип их действия основан на эффекте поля, который рассмотрен в лекции 7.
МДП-транзистор со встроенным каналом. Структура такого тран зистора представлена на рис. ЗЛО. Как видно из рисунка, на подложке /?- типа образуются две области «-типа, соединенные между собой тонким приповерхно стным слоем также «-типа.
Эти области представляют собой исток и сток, а припо верхностный слой - канал. Над каналом расположена металлическая пленка - за
твор, которая отделена от канала пленкой диэлектрика. Таким образом, получается структура металл - диэлектрик - полупроводник, отсюда и на звание - МДП-транзистор. Так как в качестве диэлектрика в интегральной технологии применяется окись кремния Si0 2 , то второе название транзи стора - МОП-транзистор (металл - окисел - полупроводник). Если в каче стве подложки использовать кремний «-типа, то исток, сток и канал долж ны быть р-типа, в остальном структура и принцип работы ВАХ транзисто ра такие же, как и транзистора с /7-подложкой.
При напряжении сток - исток, не равном нулю, через канал будет про текать ток, определяемый величиной напряжения и сопротивлением канала. Если теперь приложить к затвору отрицательное напряжение отно сительно истока, то за счет эффекта поля электроны вытолкнутся из канала (или дырки подтянутся к каналу) и канал обеднится основными носителя ми, сопротивление его возрастет, а ток стока уменьшится. Такой режим работы называется режимом обеднения.
Если к затвору приложить положительный потенциал относительно затвора, то электроны из подложки подтянутся к каналу, канал обогатится основными носителями, сопротивление его уменьшится, а ток стока воз растет. Такой режим работы называется режимом обогащения. Характери стика изменения тока стока при изменении напряжения затвор - исток, по казанная на рис. 3.11, носит название сток-затворной ВАХ МДПтранзистора. Выходные вольт-амперные характеристики МДП-транзистора показаны на рис. 3.12. Участок насыщения на этих ВАХ объясняется теми же причинами, что и участок насыщения на ВАС полевого транзистора с управляемым р-л-переходом.
МДП-транзисторы с индуцированным каналом. Структура такого транзистора аналогична структуре МДП со встроенным каналом, но при и 2- и = 0 канал отсутствует (|>ис. 3.13). Поэтому ток, протекающий по цепи сток - исток, очень мал (10" -10" А), и его можно принять равным нулю.
При увеличении напряжения затвор - исток за счет эффекта поля электроны из подложки бу дут подтягиваться к поверхности подложки под затвором. При напряжении возбуждения канала образуется поверхностный инверсный слой л, т.е. исток и сток соединяются каналом л-типа, замыкая цепь сток - исток, по которой потечет ток.
Зависимость тока стока от напряжения на затворе (сток-затворная ВАХ) представлена на рис. 3.14. Напряжение возбужденного канала UQ численно равно 2,5-3 В. Выходные характеристики внешне выглядят так же, как и у МДП-транзистора со встроенным каналом, однако при и з- и = 0 ток практически равен нулю (рис. 3.15). Следовательно, такой транзистор работает только в режиме обогащения.
Рис. 3.15
Параметры МДП-транзисторов те же, что и полевого транзистора с управляемым /?-л-переходом: это крутизна характеристики S, дифференци альное сопротивление стока гс, статический коэффициент усиления напря жения р.
Схема замещения МДП-транзистора с индуцированным каналом представлена на рис. 3.16. В этой схеме принято, что крутизна подложки -
величина очень маленькая, поэтому усилительные свойства транзистора учитываются только генератором тока / с = SU3_ и . Сопротивления Л3 _ с и
R3_ и (их величина достигает (101 4 Ом и более) - это сопротивления ди электрика Si0 2 , отделяющего затвор от канала. Сопротивления гс, гп _ с и гп _ и _ соответственно дифференциальные сопротивления стока и р-п- переходов подложка - сток и подложка - исток для обратной полярно сти. Емкости Сп . с и Сп . и - паразитные барьерные емкости р-п-
переходов, а С 3 _ с и С 3 _ и - емкости перекрытия затвором стоковой и истоковой областей. Емкость затвор - канал (С3) в схеме замещения не пока зана, так как ее влияние на инерционность транзистора отражается в пара
метре |
крутизны. В |
операторной форме это записывается как |
|
$ |
= C3RQ . |
S(P) = ----------, где т5 |
||
1 |
+ Р Ь |
|
Емкость затвора зависит от его площади (zL), а сопротивление канала Ro прямо пропорционально длине канала и обратно пропорционально под вижности носителей зарядов. Таким образом, как видно из схемы замеще ния, инерционность МДП-транзистора определяется прежде всего пара зитными и межэлектродными емкостями и, кроме того, постоянной време ни крутизны. Поэтому часто в схемах включения исток и подложка зако рачиваются, что позволяет исключить емкость Си- П
Некоторые зависимости, определяющие работу МДП-транзи- стора. Как показано в [1], зависимость тока стока от Uc _ и и U2_ и доста точно точно описывается уравнением
|
1с =Ь[(У3_и - щ у и с. и - |
о Д /С2_и], |
(3.1) |
|
где Ъ - |
удельная крутизна транзистора, мА/В |
2 |
S |
|
|
, Ъ------------------- |
|
||
|
|
|
(г/3 - и - £ / 0) |
|
Для значений Uc _ и меньше напряжения стока насыщения |
С/с„, что |
соответствует начальному крутому участку выходной ВАХ (см. рис. 3.15), вторым слагаемым в скобках формулы (3.1) можно пренебречь и тогда ток стока
(3.2) Следовательно, до точки насыщения при постоянном U3_ и ВАХ име ет приблизительно линейный характер. На этом участке сопротивление ка
нала
р _ ^ с -и _______ ]______
0 |
1с |
ы и 3_ н - и 0у |
Для пологих участков |
(после |
точки насыщения), учитывая, что |
UCM = ^ з-и " ^о> полУчим (см. рис. 3.14)