Свойства МОП-транзисторов

Действие транзистора можно сравнить с действием плотины. С помощью постоянного источника (течения реки) и плотины создан перепад уровней воды. Затрачивая очень небольшую энергию на вертикальное перемещение затвора, мы можем управлять потоком воды большой мощности, т.е. управлять энергией мощного постоянного источника

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, конечно же, 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 (чтобы сделать транзистор более долговечным, его помещают в специальные  корпуса ).

Основные материалы из которых изготовляют транзисторы — кремний и германий, перспективные – арсенид галлия , сульфид цинка и широко зонные проводники .

Существует 2 типа транзисторов: биполярные и полевые.

Рассмотрим устройство и принцип действия полевого транзистора МОП- структуры (Металл- Окисел- Полупроводник), который нашел широкое применение в качестве основного элемента всех современных интегральных микросхем КМОП структуры.

МОП-транзисторы

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  pn - переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором.

Рис.1. Структура полевого транзистора

Полевой  транзистор с управляющим  pn- переходом - это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала

р-n - 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 (а не через переходы, как в биполярном транзисторе) 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 pn-переход, сопротивление между управляющим электродом и каналом велико, а потребляемая мощность от источника сигнала в цепи затвора ничтожно 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 (обычно слоем оксида кремния). 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  (UЗИ.пор ). 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 (UЗИ.отс ). 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.

 

 

3. 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 уЗИ.  = у11 + у12 ; выходная проводимость - проводимость участка сток - исток уСИ   = у22  + у21 ; функции передачи - крутизной вольт-амперной характеристики  S = у21 - у12 ; функция обратной передачи - проходной проводимостью уЗС = 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 IС.нач - ток стока при напряжении между затвором и истоком, равном нулю и напряжении  на стоке, равном или превышающим напряжение насыщения. Остаточный ток стока IС.ост - ток стока при напряжении между затвором и истоком, превышающем напряжение отсечки. Ток утечки затвора IЗ.ут - ток затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой. Обратный ток перехода затвор - сток  IЗСО - 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 UЗИ.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  UЗИ.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 С11и - емкость между затвором  и истоком при коротком замыкании по переменному току на выходе в схеме с общим истоком. Выходная емкость полевого транзистора С22и -  емкость между стоком и истоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком. Проходная емкость полевого транзистора C12и - емкость между затвором  и стоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком. Емкость затвор -сток СЗСО  -  емкость между затвором и стоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах. Емкость затвор - исток СЗИО емкость между затвором и истоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах.

Коэффициент усиления по мощности  Кур - 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  С11и у транзисторов с  pn  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 pn - переходом.

Граничная частота определяется по формуле fгр.=159/С11и , где fгр = частота, МГц;  S - крутизна характеристики транзистора, мА/В; С11и - емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току выходной цепи,  пФ.

 

Шумовые свойства

Шумовые свойства полевых транзисторов оцениваются коэффициентом шума КШ , 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 UСИ, IC на определенной частоте.

Вместо коэффициента шума иногда указывают шумовое напряжение полевого транзистора Uш - эквивалентное шумовое напряжение, приведенное ко входу, в полосе частот при определенном полном сопротивлении генератора в схеме с общим истоком; шумовой ток Iш - 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 pn 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

Рис. 5. Сток - затворные характеристики  полевого транзистора при разных температурах.

среды и указано положение термостабильной точки. 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-n переходом приведена на рис. 6 . В

 

рис. 6. Зависимость тока утечки затвора полевого транзистора

от температуры.

полевом транзисторе с изолированным затвором ток затвора практически не зависит от температуры.

Максимально  допустимые  параметры

М а к с и м а л ь н о   д о п у с т и м ы е   п а р а м е  т р ы   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 UЗИmax  ,  затвор - сток UЗСmax  , сток - исток UСИmax  , максимально допустимое напряжение  сток - подложка  UСПmax  , исток - подложка UИПmax  , затвор - подложка U ЗПmax . Максимально допустимый постоянный ток стока I Сmax максимально допустимый прямой ток затвора IЗ(пр)max , максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность Рmax .

 

 

4.5. Вольт – амперные характеристики полевых транзисторов.

а                                             б

Рис. 7. Вольт – амперные характеристики полевого транзистора со встроеным

каналом n- типа:  а – стоковые;  б – стоко – затворные.

 

Вольт - амперные характеристики полевых транзисторов устанавливают зависимость тока стока  I C от одного из напряжений UСИ или UЗИ при фиксированной величине второго.

В МДП - транзисторе с индуцированным каналом  с подложкой  р-типа при UЗИ = 0 канал п-типа может находиться в проводящем состоянии. При некотором пороговом напряжении UЗИ.ПОР < 0 за счет обеднения канала основными носителями проводимость его значительно уменьшается. Статические стоковые характеристики в этом случае будут иметь вид , изображенный на рис.  7 , а стоко - затворная характеристика пересекает ось ординат  в точке со значением  тока   IC.НАЧ.

Особенностью МДП - транзистора с индуцированным каналом п - типа является возможность работы без постоянного напряжения смещения             ( U ЗИ = 0) в режиме как обеднения, так и  обогащения канала  основными носителями заряда. МДП - транзистор с встроенным  каналом имеет вольт-амперные характеристики , аналогичные изображенным  на рис.  7 .

У МДП - транзисторов всех типов потенциал подложки  относительно истока оказывает заметное влияние на вольт -амперные характеристики  и соответственно параметры транзистора. Благодаря воздействию на проводимость канала подложка может выполнять функцию затвора.  Напряжение на подложке относительно истока должно иметь такую полярность,  чтобы pn  переход  исток  - подложка  включался в обратном направлении. При этом pn переход канал - подложка действует как затвор полевого транзистора с управляющим  pn переходом.

 

Рекомендации по применению полевых транзисторов

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 pn ( 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.

Литература

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. М. ; Энергоатомиздат, 1985. 904с.

http://www.radioland.net.ua/contentid-162-page1.html

Категории: