Полевые транзисторы с изолированным затвором

Казань 2005

Цель работы – ознакомиться с физическими основами работы разных видов полевых транзисторов, а также их основными параметрами и характеристиками.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И РАСЧЕТНЫЕ СООТНОШЕНИЯ

Полевые транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, в которых управление выходным током, протекающим между двумя электродами, осуществляется с помощью поперечного электрического поля создаваемого напряжением, приложенным к третьему электроду, путем изменения сопротивления полупроводникового слоя – канала, проводящего ток. С этим и связано их основное название. Работа полевых транзисторов основана на движении только основных носителей заряда, т. е. дырок или электронов. А потому их иногда называют униполярными.

Электрод полевого транзистора, через который втекают носители заряда в канал, называется истоком (И), а электрод, через который из канала вытекают носители заряда, называется стоком (С). Эти электроды обратимы. С помощью напряжения, прикладываемого к третьему электроду, называемому затвором (3), осуществляют изменение сопротивления канала, путем изменения удельной проводимость или площади сечения канала.

Различают два типа полевых транзисторов: с управляющим р-n -переходом и с изолированным затвором (МДП-транзисторы, пред-ставляющие собой структуру металл — диэлектрик — полупровод-ник). МДП-транзисторы, в свою очередь, делятся на транзисторы со встроенным и индуцированным каналом.

Рис.1.1.

Полевые транзисторы обладают существенными преимуществами по сравнению с биполярными транзисторами. Одним из основных достоинств полевого транзистора является его высокое входное сопротивление (10⁶— 10⁷ Ом — у транзисторов с управляющим p-n-переходом и 10¹⁰ —10¹⁵ Ом у МДП-транзисторов). Они более устойчивы к воздействию ионизирующих излучений, хорошо работают и при очень низкой температуре, вплоть до температуры жидкого азота (—197 °C). Кроме того, они характеризуются низким уровнем шумов. МДП-транзисторы широко применяются в интегральных микросхемах.

1.1 Устройство и принцип действия полевого транзистора

с электронно-дырочным переходом

Рассмотрим n-канальный полевой транзистор. Он состоит (рис.1.1) из слаболегированного полупроводника n-типа выполненного в виде пластины, которая представляет собой канал. На каждую из боковых граней пластины наносится слой высоколегированного полупроводника с противоположным типом (p+) проводимости - он представляют собой затвор. Оба слоя материала, нанесенные на боковые грани, чаще всего электрически соединены и образуют электрод, имеющий внешний вывод через омический контакт. Этот электрод называется затвором (З). Между затвором и каналом образуется р-n –переходы, причем его обедненная область расположена в канале, т.к. он слаболегирован примесями.

Торцы пластины снабжены электродами, имеющими омические контакты, с помощью которых прибор и включается в электрическую цепь. Один из выводов называют истоком (И). Его заземляют (соединяют с общей точкой схемы), а другой называет стоком (С). На сток подают напряжение U_си такой полярности, чтобы основные носители канала двигались к стоку.

При включении в схему сток и исток можно менять местами. Такое включение называется инверсным. Объем полупроводника, заключенный между р-n- переходами, называется проводящей частью канала.

Если исходная пластина изготовлена из полупроводника n –типа, то в этом случае сток подключается к положительному полюсу источника ЭДС, а исток — к. отрицательному.

Если к затвору полевого транзистора приложить Рис. 1.1

отрицательное по отношению к истоку и являющееся обратным для р- n- перехода напряжение U_зи, то толщина обедненного слоя р- n- перехода увеличится, а сечение проводящей части канала уменьшится. Следовательно, меняя напряжение U_зи, можно изменять электрическое сопротивление канала. В результате будет меняться ток I_c, протекающий в цепи исток-сток под действием приложенного к стоку напряжения U_си. Если исток и сток заземлены, то сечение канала на всем его протяжении будет одинаковым, так как обратное смещение р-n- перехода постоянно по длине канала и равно U_зи. При достаточно большом положительном смещении на затворе обедненный слой переходов займет весь канал. Напряжение на затворе, при котором поперечное сечение канала становится равным нулю, называется напряжением отсечки U_{зи отс}. Приложение напряжения U_си меняет конфигурацию канала. Потенциал канала у истока равен нулю, а вблизи стока — U_си. Напряжение на р-n- переходе вблизи истока будет равно U_зи, а вблизи стока — U_зи+|U_си|. Область обедненного слоя у стокового конца расширяется.

В цепи затвора протекает малый ток обратносмещенного р-n- перехода I_з. Поэтому входная проводимость полевого транзистора для постоянного тока и переменного тока низкой частоты может быть очень малой.

1.2. Статические характеристики полевого транзистора с электронно-дырочным переходом

Если полевой транзистор включен по схеме с общим истоком (ОИ), то связь токов и напряжений могут быть охарактеризованы следующими ВАХ:

Обычно применяются две последние характеристики.

Типичное семейство выходных ВАХ полевого транзистора с p-n- переходом показано на рис 1.2.

рис. 1.2. Рис.1.3. рис. 1.4.

Рассмотрим зависимость I_c=f(U_си) при малых отрицательных напряжениях U_си. Ток I_c увеличивается с ростом напряжения на стоке почти линейно. Область I семейства характеристик называется крутой. В этой области транзистор может быть использован как омическое управляемое сопротивление. Далее линейная зависимость между U_си ток I_c нарушается, так как уменьшается сечение канала и увеличивается его сопротивление. Начиная с некоторого значения напряжения U_си рост тока стока I_c практически прекращается и его величина почти не зависит от напряжения. Это связано с тем, что увеличение напряжения на стоке, с одной стороны, вызывает увеличение тока стока, с другой — сужение канала, которое, в свою очередь, уменьшает ток. Напряжение на стоке, при котором возникает этот режим, называется напряжением насыщения U_{си нас}. Область II характеристик, в которой ток I_с мало зависит от напряжения U_си называется областью насыщения или пологой областью. Увеличение напряжения на стоке выше определенной величины приводит к электрическому пробою р-n- перехода у стокового конца канала (область III), так как в этой части прибора к р-n- переходу приложено наибольшее обратное напряжение.

При подаче на затвор обратного напряжения область насыщения будет соответствовать меньшим по модулю значениям напряжения на стоке. Меньшим становится и ток в области насыщения, пробой также наступает при меньших значениях напряжений | U_си |.

При напряжении U_зи=0 напряжение насыщения равно напряжению отсечки. Можно показать, что при положительных напряжениях на затворе напряжение насыщения определяется по формуле

1.1.

В системе координат U_си, I_c кривая, соединяющая точки, соответствующие значениям U_{си нас} при разных значениях U_зи, является параболой, выходящей из начала координат (пунктирная линия на рис. 5.3).

Если управляющий р -n переход смеcтить в прямом направлении, ток стока увеличится. При этом резко возрастает входная проводимость прибора. Такой режим на практике не используют.

Характеристика прямой передачи (стоко-затворная характеристика) (рис. 1.3) может быть легко получена из семейства выходных характеристик, если при фиксированном напряжении U_си отмечать величину напряжения U_зии соответствующие ему значения I_c. Изменение напряжения U_си в пределах области насыщения мало влияет на поведение стокозатворной характеристики.

Из записанного следует, что

U^*_зи= U_зи/(1+(r_к+r_и) jωC_зк))= U_зи/(1+jωτ_s),

где τ_s = (r_к+r_и) C_зк – постоянная времени крутизны.

Отсюда следует, что с ростом частоты входного сигнала крутизна полевого транзистора уменьшается и становится комплексной функцией частоты

S(jω)=U_си/U_зи = S₀/(1+jωτ_s),

S₀= U_си/U^*_зи – дифференциальная крутизна на низких частотах.

Элементарная теория ПТ

Определим зависимость толщины и сопротивление канала (R_к=R_си) полевого транзистора от напряжения на затворе U_зи при нулевом напряжении на стоке (Uси=0). При нулевом напряжении на стоке (U_си=0) канал полевого транзистора имеет постоянную ширину по всей длине от истока до затвора

Пусть h- расстояние между металлургическими границами затвора и подложки, у-толщина проводящей части канала. Из рисунка видно, что у=h – δ, где δ – ширина р-n-перехода

δ =а(φ_к+U_зи)^1/2

где а= [2εε₀(N_а+N_д)/(q N_аN_д)]^1/2

При некотором напряжении U_зи =U_{зи отс}( напряжение отсечки) канал перекрывается p-n-переходом, т.е.у=0. Ширина p-n-перехода при этом максимальна и равна

Δ_мах= h = а(φ_к+U_{зи отс})^1/2≈ а (U_{зи отс})^1/2.

Отсюда находим зависимость ширины канала у от напряжении U_зи

у= h[1- ((φ_к+U_зи)/ U_{зи отс})^1/2].

Канал имеет максимальную ширину у₀, когда U_зи=0

у₀= h[1- (φ_к/ U_{зи отс})^1/2].

При этом сопротивление канала минимально, и считаем, что оно равно R_к0. При подаче напряжения U_зи сопротивление канала R_кувеличивается и определяется выражением

R_к= R_к0/[1-( U_зи)/ U_{зи отс})^1/2]

Если на сток подано положительное напряжение, то ширина канала по длине от истока до затвора не постоянна. Он сужен, в направлении к стоку. У стока его ширина определяется из выражения

у_с= h[1- ((φ_к+U_зи+U_си)/ U_{зи отс})^½.

При определенном напряжение (U_си = U_{си нас}) происходит смыкание канала, в районе стока (у_с= 0), и образование горловины канала. Это напряжение, называется напряжением насыщения U_{си нас}.

Определим напряжение насыщения U_{си нас} из условия, что (у_с= 0). Получим

U_{си нас}= U_{зи отс}- (φ_к+U_зи)

ЗАДАНИЯ НА ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЁТЫ

Задания на экспериментальные исследования

И методика их выполнения

Задание 1. Исследование полевого транзистора с управляющим р-п переходом и каналом n-типа.

1.1. Снять статическую передаточную ВАХ, Ic=F(Uзи)|Uси=const, при Uси=1, 10В. Для этого собрать схему, приведенную на рис.1.

Рассчитать крутизну S=DIc/DUзи|Uси=const, при Uси=-2В. Определить напряжение отсечки.

Рис.1.

1.2. Исследование выходных ВАХ. Ic = F(Uси)|Uзи =const, при Uзи =-1, -2, -3В.

Для этого собрать схему, приведенную на рис.2.

Рис.2.

Рассчитать выходное сопротивление Rвых= DUси /DIc|Uзи =const, при Uзи =-2В, Uси=10В.

Задание 2. Исследование полевого МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа.

2.1. Снять статическую передаточную ВАХ , Ic=F(Uзи)|Uси=const, при Uси=1, 10В. Для этого собрать схему, приведенную на рис.3.

Определить напряжение отсечки.

Рассчитать крутизну S=DIc/DUзи|Uси=const, при Uси=10В, Ic=10мА.

Рис.3.

2.2 Исследование выходных ВАХ. Ic = F(Uси)|Uзи =const, при Uзи =-1, -2, -3В.

Для этого собрать схему, приведенную на рис.4.

Рассчитать выходное сопротивление Rвых= DUси /DIc|Uзи =const, при Ic=10мА, Uси=10В.

Рис.4.

Задание 3. Исследование полевого МДП-транзистора с встроеннным каналом п-типа.

3.1. Снять статическую передаточную ВАХ , Ic=F(Uзи)|Uси=const, при Uси=1, 10В. Для этого собрать схему, приведенную на рис.5.

Определить напряжение отсечки.

Рассчитать крутизну S=DIc/DUзи|Uси=const, при Uси=10В, Ic=10мА.

Рис.5

3.2. Исследование выходных ВАХ. Ic = F(Uси)|Uзи =const, при Uзи =-2, 0, +3В.

Для этого собрать самостоятельно схему измерения.

Рассчитать выходное сопротивление Rвых= DUси /DIc|Uзи =const, при Ic=10мА, Uси=10В.

Задание 4.Измерение дифференциальных параметров полевых транзисторов.

4.1 измерение крутизны.

4.2 Измерение выходного сопротивления.

4.3 Измерение коэффициента усиления по напряжению.

УКАЗАНИЯ К ОТЧЁТУ

Отчет должен содержать:

1) название работы, ф.и.о. студента и номер группы;

2) схемы измерений; таблицы экспериментальных данных и графики ВАХ .

4. Контрольные вопросы

1. Расскажите об устройстве полевого транзистора с p-n – переходом.

2. . Расскажите о принципе управления током в полевом транзисторе.

3. Нарисуйте выходные характеристики полевого транзистора с р — n - переходом. Расскажите о характерных областях характеристик.

4. Как устроен полевой транзистор МДП-типа с встроенным каналом.

5. Как устроен полевой транзистор МДП-типа с индуцированным каналом.

6. Расскажите о дифференциальных параметрах полевых транзисторов.

7. Нарисуйте физическую эквивалентную схему полевого транзистора.

8. Как зависят параметры полевого транзистора от режима работы и температуры.

9. Чем отличаются МДП-транзисторы со встроенным и индуцированным каналом?

10. Как связана удельная емкость затвора с толщиной подзатворного диэлектрика?

11. Что такое пороговое напряжение МДП-транзистора?

12. Как влияют заряды в окисле и на поверхностных состояниях на пороговое напряжение?

13. Чему равен поверхностный потенциал при пороговом напряжении?

14. Чему равно напряжение спрямления зон?

15. Чему равна разность потенциалов затвор-исток на границе насыщения?

16. С чем связан наклон ВАХ в области насыщения?

17. В каком режиме МДП-транзистор может использоваться в качестве омического сопротивления?

18. Дайте определение крутизны МДП-транзистора.

19. Как зависит внутреннее сопротивление МДП-транзистора в пологой области от тока стока?

20. Как соотносятся крутизны по затвору и подложке?

21. Чему соответствует критический ток МДП-транзистора?

22. В чем состоит причина нестабильности параметров МДП-транзистора?

23. Как связана постоянная времени крутизны с длиной канала МДП-транзистора?

24. Дайте определение напряжения отсечки полевого транзистора.

25. Как соотносятся входные сопротивления МДП- и полевого транзистора?

26. Как изменяется длина канала полевого транзистора в пологой области при увеличении напряжения на стоке?

27. Сравните быстродействие МДП- и полевых транзисторов.

28. Сравните уровень шумов МДП- и полевых транзисторов.

29. Каков порядок величины сопротивлений пассивных областей полевого транзистора?

Казань 2005

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И РАСЧЕТНЫЕ СООТНОШЕНИЯ

Рис.1.1.

1.1 Устройство и принцип действия полевого транзистора

с электронно-дырочным переходом

Если к затвору полевого транзистора приложить Рис. 1.1

1.2. Статические характеристики полевого транзистора с электронно-дырочным переходом

Обычно применяются две последние характеристики.

Типичное семейство выходных ВАХ полевого транзистора с p-n- переходом показано на рис 1.2.

рис. 1.2. Рис.1.3. рис. 1.4.

1.1.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

МДП- или МОП-транзистор представляет собой прибор, в котором металлический затвор изолирован слоем диэлектрика от канала, образованного в приповерхностном слое полупроводника. Принцип действия МДП транзистора основан на явлении управления пространственным зарядом полупроводника через слой диэлектрика.

Различают МДП-транзисторы с индуцированным и со встроенным каналом. В МДП-транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал между истоком и стоком индуцируется (наводится) управляющим напряжением затвора. В этих транзисторах при разности потенциалов между истоком и затвором, равной нулю, электропроводность между стоком и истоком практически отсутствует.

МДП – транзистор с индуцированным каналом. В МДП – транзисторах затвор и канал изолированы пленкой диэлектрика (рис. 1.5).

Каналом является тонкий слой на поверхности пластины (подложки) с противоположным типом проводимости. Затвор представляет собой тонкую пленку алюминия, нанесенную на поверхность окисла кремния. Исток и сток выполнены в виде сильнолегированных n+ – областей (концентрация дырок 10^{18 -}10²⁰см^-3) в пластине кремния р- типа.

Если напряжение на затворе отсутствует, то сопротивление между истоком и стоком, определяемое двумя включенными встречно n-p переходами в местах контакта p-подложки и n+-областей, очень велико. Возникновение канала основано на так называемом эффекте поля, т.е. изменении концентрации носителей в приповерхностном слое полупроводник под действием электрического поля. При подаче на затвор отрицательного, по отношению к истоку напряжения в полупроводнике возникает электрическое поле, которое вытягивает из n- подложки дырки, увеличивая их концентрацию в тонком приповерхностном слое и изменяет тип его проводимости на противоположный. Этот тонкий слой с инверсной проводимостью n - типа называется индуцированным или наведенным слоем. Он образует проводящий канал, соединяющий n+-области истока и стока. При увеличении отрицательного напряжения затвора толщина n - слоя и его проводимость возрастают. Таким образом, можно управлять током стока транзистора. Напряжение затвора, при котором в приборе формируется канал, называется пороговым напряжением U_{зи пор}. Если при |U_зи|>|U_{зи пор}| подать положительное напряжение на сток, то в канале появится продольное электрическое поле и возникнет дрейфовое движение электронов от истока к стоку. При изменении напряжения U_си, будет меняться дрейфовая скорость движения дырок в канале, а следовательно, и ток I_c. Величина порогового напряжения у транзисторов с индуцированным каналом лежит в пределах от 1 до 6 В.

рис. 1.6. Рис.1.7. Рис. 1.8

Величина тока в цепи затвора транзистора очень мала, так как сопротивление изоляции между затвором и каналом достигает 10¹⁵ Ом. Выходные характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом (рис. 1.7) имеют такой же вид, как и характеристики полевого транзистора с р-n – переходом, а его входная ВАХ на рис. 1.8. Для МДП транзистора с n- каналом используется следующий режим:

Принцип работы, свойства и ВАХ МДП- транзистора с p - каналом примерно такие же как и транзистора с n –каналом. Отличие состоит в том, что транзисторы с n - каналом оказываются более быстродействующими, так как подвижность электронов, переносящих ток, примерно в три раза выше, чем подвижность дырок. Кроме того, эти транзисторы имеют разные пороговые напряжения.

МДП- транзистор со встроенным каналом. В таких МДП транзисторах канал на этапе изготовления образуется тонким слоем полупроводника, нанесенного на подложку и имеющего противоположный по отношению к ней тип проводимости. Эти транзисторы отличаются от транзисторов с индуцированным каналом тем, что могут работать как при положительном, так и при отрицательном напряжении на затворе. Конструкция МДП транзистора со встроенным n-каналом приведена на рис. 1.9.

Если напряжение на затворе относительно подложки, которая обычно соединена с истоком, равно нулю Uзи=0, то при подаче на сток положительного напряжения в цепи сток исток будет протекать ток стока Iс определяемый проводимостью канала, причем ВАХ будет аналогична выходной вах полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

Если на затвор, подать отрицательное напряжение Uзи<0, то электрическое поле, создаваемое этим напряжением, удаляет электроны канала в глубь подложки, увеличивая его сопротивление, ток стока при этом уменьшается. Такой режим называется режимом обеднения.

Если на затвор, подать положительное напряжение Uзи>0, то электрическое поле, создаваемое этим напряжением, втягивает электроны из подложки в канал, обогащая его носителями, и уменьшая его сопротивление, ток стока при этом увеличивается. Такой режим называется режимом обогащения.

Выходные характеристики I_c=f(U_си) при U_зи=const и характеристики прямой передачи I_c=f(U_зи) при U_си=const для МДП – транзистора со встроенным каналом показаны на рис. 1.11. и 1.12. соответственно.

Здесь напряжения U_зи>0 соответствуют режиму обогащения, U_зи<0 – режиму обеднения.

Рис.1.10. Рис.1.11. Рис.1.12.

Полевые транзисторы с индуцированным каналом получили более широкое распространение, чем транзисторы со встроенным каналом. В первую очередь это связано с тем, что управляющее напряжение и напряжение питания одной полярности (одного знака).

12 Следующая ⇒

Последнее изменение этой страницы: 2019-05-08; Просмотров: 345; Нарушение авторского права страницы