Постоянная времени определяется выражением

τ_s=L²/(μ(U_зи – U₀))

где L – длина канала; μ – подвижность основных носителей канала. Поскольку подвижность электронов выше подвижности дырок, то n-канальные более высокочастотные. У современных МДП-транзисторов удается делать длину канала менее 1мкм, при этом τ_s< 0,5нс, а f_s>15Ггц. Такие значения параметров позволяют пренебречь инерционностью крутизны и считать, что инерционность МДП-транзистора обусловлена межэлектродными и паразитными емкостями.

Постоянная времени для полевых транзисторов с p-n-переходом вычисляется аналогично. Однако, практически, не удается сделать длину канала такой же малой, как у современных МДП-транзисторов. Поэтому быстродействие современных МДП-транзисторов значительно выше.

Полевые транзисторы с p-n-переходом уступают МДП-транзисторам и по величине входных сопротивлений: оно определяется обратным током p-n-перехода и обычно не превышает 10⁹Ом. С ростом температуры быстро уменьшается.

Важным достоинством полевых транзисторов с p-n-переходом является высокая стабильность характеристик во времени и малый уровень собственных шумов. Причина этого состоит в том, что канал располагается в обьеме кристалла. Он отделен от поверхности кристалла p-n-переходом, который выполняет роль диэлектрика. Такой диэлектрик практически не содержит дефектов, загрязнений, что является причиной временной нестабильности и шумовых флуктуаций. Канал МДП-транзисторов является приповерхностным. Он входит в контакт с инородным телом – диэлектриком. Во времени свойства диэлектрика изменяются, что приводит к нестабильности и параметров МДП-транзистора. При протекании тока канала происходит обмен электронами канала с дефектами диэлектрика. Это создает повышенный шум МДП-транзистора. Это основные недостатки МДП-транзисторов.

 

Подобно биполярным транзисторам, полевые транзисторы используют в трех основных схемах включения: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ). Усилительный каскад по схеме ОИ аналогичен схеме ОЭ. Он дает большое усиление тока и мощности и инвертирует фазу входного напряжения. Коэффициент усиления каскада по напряжению приближенно равен Ku = SR_H .

Схема ОС подобна эмиттерному повторителю и называется истоковым повторителем. Коэффициент усиления каскада по напряжению близок к единице. Усилитель по схеме ОС имеет сравнительно небольшое выходное сопротивление и большое входное сопротивление. Кроме того, здесь значительно уменьшена входная емкость, что способствует увеличению входного сопротивления на высоких частотах.

Схема ОЗ аналогична схеме ОБ. Схема не усиливает тока, поэтому коэффициент усиления по мощности во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Эта схема имеет малое входное сопротивление, так как входным током является ток стока. Фаза напряжения при усилении не инвертируется.

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_к увеличивается 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

1.

2.

 

 

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?

⇐ Предыдущая12

Поделиться: