Конспект - лекция "Полевые транзисторы"

Полевые транзисторы

Устройство и принцип действия полевых транзисторов с управляющим
р-n переходом

1) Устройство и принцип действия полевых транзисторов с управляющим р-п переходом

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток создаётся только основными носителями зарядов под действием продольного электриче­ского поля, а управление этим током осуществляется поперечным электрическим полем, ко­торое создаётся напряжением, приложенным к управляющему электроду.

Все полевые транзисторы по своим конструктивным особенностям можно разделить на две группы;

1) полевые транзисторы с р— п - переходами (канальные, или уни­полярные, транзисторы);

2) полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП или МОП транзисторы).

Полевые транзисторы могут быть использованы в схемах усили­телей, генераторов, переключателей. Особенно широко применяются они в малошумящих усилителях с высоким входным сопротивлением. Весьма перспективным является также использование их (с изолиро­ванным затвором) в цифровых и логических схемах.

К важнейшим достоинствам полевых транзисторов следует отнести:

1. Высокое входное сопротивление, достигающее в канальных тран­зисторах с р — п- переходами величины 10⁶ —10⁹ Ом, а в транзисто­рах с изолированным затвором 10¹³ — 10¹⁵ Ом. Такое высокое значение входного сопротивления объясняется тем, что в транзисторах с р — п- переходами электронно-дырочный переход между затвором и истоком включен в обратном направлении, а в транзисторах с изо­лированным затвором входное сопротивление определяется очень большим сопротивлением утечки диэлектрического слоя.

2. Малый уровень собственных шумов, так как в полевых транзи­сторах, в отличие от биполярных, в переносе тока участвуют заряды только одного знака, что исключает появление рекомбинационного шума.

В широком диапазоне частот коэффициент шума полевых транзи­сторов не превышает 0,5—3 дБ.

3. Высокая устойчивость против температурных и радиоактивных воздействий.

4. Высокая плотность расположения элементов при использовании приборов в интегральных схемах.

Несколько определений:

Вывод полевого транзистора, от которого истекают основные носители зарядов, назы­вается истоком.

Вывод полевого транзистора, к которому стекают основные носители зарядов, называ­ется стоком.

Вывод полевого транзистора, к которому прикладывается управляющее напряжение, создающее поперечное электрическое поле называется затвором.

Участок полупроводника, по которому движутся основные носители зарядов, между р-п переходом, называется каналом полевого транзистора.

Поэтому полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналом р-типа или п-типа.

Условное графическое изображение (УГО) полевого транзистора с каналом n-типа и с каналом р-типа

Принцип действия рассмотрим на примере транзистора с каналом п-типа.

На затвор всегда подаётся такое напряжение, чтобы переходы закрывались.

Напряжение меж­ду стоком и истоком создаёт продольное электрическое поле, за счёт которого через канал движутся основные носители зарядов, создавая ток стока.

1) При отсутствии напряжения на затворе р-n переходы закрыты собственным внутрен­ним полем, ширина их минимальна, а ширина канала максимальна и ток стока будет максимальным.

2) При увеличении запирающего напряжения на затворе ширина р-n переходов увеличива­ется, а ширина канала и ток стока уменьшаются.

3) При достаточно больших напряжениях на затворе ширина р-n переходов может уве­личиться настолько, что они сольются, ток стока станет равным нулю.

Напряжение на затворе, при котором ток стока равен нулю, называется напряжением отсечки.

Вывод: полевой транзистор представляет собой управляемый полупроводниковый прибор, так как, изменяя напряжение на затворе, можно уменьшать ток стока и поэтому принято гово­рить, что полевые транзисторы с управляющими р-n переходами работают только в режиме обеднения канала.

2) Характеристики и параметры полевых транзисторов

К основным характери­стикам относятся:

• Стокозатворная характеристика - это зависимость тока стока (Iс) от напряжения на за­творе (Uзи).

• Стоковая характеристика - это зависимость Iс от Uси при постоянном напряжении на затворе (смотрите рисунок). Ic = f (Uси) при Uзи = Const

Пусть напряжение между затвором и истоком U_зи = 0. При уве­личении положительного напряжения Uc на стоке ток Iс будет нара­стать. Вначале зависимость I_с = f(U_c) будет почти линейной (уча­сток ОА на рис. 10.25, а). Однако с возрастанием I_с увеличивается падение напряжения на канале, повышается обратное смещение для р — n-переходов (особенно вблизи стока), что ведет к сужению се­чения токопроводящего канала и замедляет рост тока Iс. В конечном итоге у стокового конца пластинки канал сужается настолько, что дальнейшее повышение напряжения уже не приводит к росту Iс (учас­ток AВ на рис. 10.25, а). Этот режим получил название режима насы­щения, а напряжение Uс, при котором происходит насыщение, на­зывается напряжением насыщения (Uснас).

Основные параметры:

1) Напряжение отсечки.

2) Крутизна стоко-затворной характеристики. Она показывает, на сколько миллиампер изме­нится ток стока при изменении напряжения на затворе на 1 В.

3) Внутреннее сопротивление (или выходное) полевого транзистора.

4) Входное сопротивление.

Так как на затвор подаётся только запирающее напряжение, то ток затвора будет представлять собой обратный ток закрытого р-п перехода и будет очень мал. Величина входного сопротив­ления Rbx будет очень велика и может достигать 10⁹ Ом.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

Данные приборы имеют за­твор в виде металлической плёнки, которая изолирована от полупроводника слоем диэлектрика, в виде которого применяется окись кремния.

Поэтому полевые транзисторы с изолирован­ным затвором называют МОП и МДП. Аббревиатура МОП расшифровывается как металл, окись, полупроводник. МДП расшифровывается как металл, диэлектрик, полупроводник.

МОП - транзисторы могут быть двух видов:

• Транзисторы со встроенным каналом

• Транзисторы с индуцированным каналом.

Транзистор со встроенным каналом

Основой такого транзистора является кристалл кремния р- или n-типа проводимости.

Принцип действия.

Под действием электрического поля между стоком и истоком через канал будут протекать основные носители зарядов, т. е. будет существовать ток стока.

При подаче на затвор положи­тельного напряжения электроны как неосновные носители подложки будут притягиваться в канал. Канал обогатится носителями заряда, и ток стока увеличится.

При подаче на затвор отрицательного напряжения электроны из канала будут уходить в подложку, канал обеднится носителями зарядов, и ток стока уменьшится.

При достаточно больших напряжениях на затворе все носители заряда могут из канала уходить в подложку, и ток стока станет равным нулю.

Вывод: МОП - транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обогаще­ния, так и в режиме обеднения зарядов.

Транзисторы с индуцированным каналом

При напряжениях на затворе, равных или меньше нуля, канал отсутствует, и ток стока будет равен нулю.

При положительных напряжениях на затворе электроны, как не основные носите­ли заряда подложки р-типа, будут притягиваться к затвору, а дырки будут уходить вглубь подложки. В результате в тонком слое под затвором концентрация электронов превысит кон­центрацию дырок, т. е. в этом слое полупроводник поменяет тип своей проводимости. Образу­ется (индуцируется) канал, и в цепи стока потечёт ток.

Вывод: МОП - транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обо­гащения.

МОП - транзисторы обладают большим входным сопротивлением, чем транзисторы с управ­ляемым переходом. Rbx = (10¹³-10¹⁵) Ом.

Полевые транзисторы для ИМС РПЗУ

В интегральных микросхемах РПЗУ в виде ячейки для хранения 1бит информации используются полевые транзисторы МНОП или МОП - транзисторы с плавающим затвором.

Аббревиатура МНОП расшифровывается следую­щим образом: М - металл, Н - сплав H S_i3 N₄, О - оксид металла, П - полупроводник.

Принцип действия этих транзисторов основан на том, что в сильных электрических полях электроны могут проникать в диэлектрик на глубину до 1мкм.

МНОП- структура транзистора изображена на рисунке.

Транзисторы структуры МНОП имеют двухслойный диэлектрик. Первый слой, толщиной ме­нее 1мкм- это окись кремния, второй слой -толщиной несколько микрон - нитрид кремния.

Без программирования этот транзистор работает как обычный МОП - транзистор и содержит логическую единицу информации.

Для программирования логического нуля на затвор подают кратковременное напряжение (U = 25 - 30B) Пол действием этого напряжения электроны проходят слой окиси малой толщины, но не могут пройти слой нитрида кремния и скапливаются на границе этих слоев. Поскольку напряжение кратковременно, то они остаются на границе слоев этих диэлектриков. Остав­шись, электроны создают объёмный отрицательный заряд, который может храниться сколь угодно долго. За счёт этого заряда возникает электрическое поле, противодействующее полю затвора. Чтобы индуцировать канал в транзисторе, на затвор необходимо подавать большее напряжение, чтобы преодолеть действие поля объёмного заряда. Это соответствует сдвигу стоко-затворной характеристики вправо по оси напряжений. При подаче на затвор импульса запроса 5В канал индуцироваться не будет, ток стока и ток в нагрузке отсутствуют, и на на­грузке будет уровень логического нуля.

Для стирания информации на затвор подают также напряжение 25 - 30 В, только отрицатель­ной полярности.

Структура МОП - транзисторов с плавающим затвором

В слое окисла кремния создаётся область из алюминия или поликристаллического кремния на расстоянии менее 1мкм от полупроводника (смотрите рисунок).

Принцип действия МОП - транзисторов с плавающим затвором точно такой же, как у транзи­сторов МНОП, только при программировании электроны скапливаются в плавающем затворе из алюминия или кремния. Стирание информации осуществляется ультрафиолетовым облуче­нием.