Классификация полевых транзисторов

По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы. Первую образуют транзисторы с управляющим р-n переходом, или переходом металл — полупроводник (барьер Шоттки), вторую — транзисторы с управлением посредством изолированного электрода (затвора), т. н. транзисторы МДП (металл — диэлектрик — полупроводник).

 

К основным характеристикам полевых транзисторов относятся:

· стокозатворная характеристика – это зависимость тока стока IС от напряжения на затворе UЗИ (рис. 2.4, а);

· стоковая характеристика – это зависимость IС от UСИ при постоянном напряжении на затворе (рис. 2.4, б)

IС = f (UСИ), при UЗИ = const.

 

Рис. 2.4. Характеристики полевых транзисторов с управляющим p-n переходом: а – стокозатворная (входная); б – стоковая (выходная)

Отличительные особенности полевого транзистора. Из принципа действия полевого транзистора вытекают две основные его особенности:

1. в установившемся режиме работы входной ток полевого транзистора стремится к нулю (т.е. r _вх → ∞);

2. инерционность полевого транзистора в отличие от биполярного обусловлена только процессами перезаряда его входной и выходной емкостей.

Казалось бы, что отсутствие процессов изменения объемного заряда неосновных носителей дает преимущество полевому транзистору в быстродействии перед биполярным транзистором. Однако следует отметить, что конструкция полевого транзистора предполагает получение больших значений его входных и выходных емкостей. Последнее с увеличением частоты входного сигнала приводит к фактическому падению коэффициента усиления каскада на полевом транзисторе. Действительно, по постоянному току коэффициент усиления полевых транзисторов стремится к бесконечности (входной ток стремится к нулю). При увеличении частоты входного сигнала входной ток полевого транзистора, определяемый его входной емкостью, растет, что эквивалентно снижению значения коэффициента усиления. Поэтому принято считать, что в общем случае по быстродействию, усилению и частотным свойствам полевой транзистор, как правило, не имеет преимуществ перед биполярным транзистором.

Однако разработка полевого транзистора с так называемым коротким каналом позволила создать полупроводниковый высокочастотный транзистор сравнительно большей мощности (50... 100 Вт), не осуществленный в настоящее время в биполярном варианте.

Полевые транзисторы имеют преимущество перед биполярными транзисторами в большей температурной стабильности их характеристик. Это объясняется тем, что основная температурная нестабильность характеристик биполярного транзистора обусловлена сильной зависимостью количества неосновных носителей заряда в полупроводнике. Учитывая, что полевой транзистор работает с использованием только основных носителей зарядов, которые в меньшей степени подвержены температурному влиянию, в нем отсутствует положительная обратная связь по температуре, присущая биполярным транзисторам.

Основными преимуществами полевого транзистора являются его большое входное сопротивление по постоянному току и высокая технологичность.

Последнее обусловливает широкое применение полевых транзисторов при разработке цифровых интегральных схем.

Дискретные полевые транзисторы, выпускаемые отечественной промышленностью, классифицируют по мощности и частоте аналогично биполярным.

 

 

15.Полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом.

 

У полевых транзисторов с изолированным затвором между металлическим затвором и областью полупроводника находится слой диэлектрика – двуокись кремния SiO₂. Это отражено и в их названии. Полевые транзисторы с изолированным затвором называются МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП (металл-окисел-полупроводник). Существуют МДП-транзисторы с индуцированным и встроенным каналом.

В основе действия МДП-транзистора лежит эффект поля, представляющий собой изменение величины и типа электропроводности полупроводника вблизи его границы с диэлектриком под действием приложенного напряжения. Рассмотрим МДП-структуру, изображенную на рис. 5.4.. и содержащую подложку с проводимостью p-типа.

.

Рис.5.4. МДП транзистор с индуцированным каналом.

 

В МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа (см. рис. 2.25.) при напряжении на затворе канал отсутствует и при подаче ток стока будет равен нулю. Механизм образования канала состоит в том, что при подаче на затвор положительного напряжения дырки переносятся полем с поверхности в глубь полупроводника и в области под затвором образуется слой с уменьшенной их концентрацией

При некотором напряжении напряжения затовора, называемом пороговым , у поверхности полупроводника р-типа концентрация электронов превышает концентрацию дырок, т.е. появляется тонкий слой полупроводника с электропроводностью n-типа и происходит инверсия электропроводности полупроводника. Изменяя напряжения на затворе, можно изменять концентрацию электронов в канале, а значит, и его сопротивление. Если увеличивать положительное напряжение на затворе, концентрация электронов в канале увеличивается, то есть происходит обогащение канала электронами. На рис 2.26. показаны основные ВАХ ПТ: выходные (стоковые) – и характеристики управления (передачи) (cток-затворные) – . Поведение характеристик полностью соответствует физике процессов формирования тока в канале.

В справочниках обычно в качестве порогового приводится значение , при

котором ток стока . При в МДП-транзисторах с каналом n-типа увеличение напряжения на затворе приводит к уменьшению сопротивления канала за счет обогащения его электронами, ток стока при этом увеличивается.

 

Рис 5.5. ВАХ МДП транзистора с индуцированным каналом

 

В МДП-транзисторе со встроенным каналом n-типа, структура которого приведена на рис.5.4., уже при отсутствии внешних напряжений имеется канал, соединяющий области истока и стока. Поэтому при и протекает ток стока. При увеличении положительного напряжения на затворе область канала обогащается электронами и ток стока возрастает.

16.Полевые транзисторы с изолированным затвором и встроенным каналом.

 

Рис. 5.6 МДП транзистор со встроенным каналом.

При увеличении отрицательного напряжения на затворе канал обедняется, (режим обеднения) и ток стока уменьшается. На рис. 2.28. показаны статические характеристики транзистора со встроенным каналом.

Рис 5.7. Статические характеристики МДП транзистора со встроенным каналом.

Полевые транзисторы включаются по схемам с общим затвором (ОЗ) (рис. 5.8 а), общим истоком (ОИ) (рис.5.8а, б), общим стоком (ОС) (рис. 5.8, в). Наиболее часто используется схема включения с ОИ.

Рис 5.8. схемы включения полевых транзисторов

17.Параметры и температурные свойства полевых транзисторов

 

Влияние температуры на вольт-амперные характеристики полевых транзисторов

Основными причинами изменения тока стока полевых транзисторов являются температурные зависимости подвижности носителей и контактной разности потенциалов в транзисторах с управляющим переходом, а также пороговое напряжение в МДП-транзисторах. Подвижность носителей заряда в канале уменьшается с ростом температуры, что приводит к уменьшению тока стока, а пороговое напряжение, уменьшаясь с ростом температуры, приводит к увеличению тока стока. Кроме этого, уменьшается и контактная разность потенциалов, что приводит также к увеличению тока стока. Таким образом, эти факторы оказывают на ток стока противоположное действие и могут скомпенсировать друг друга. Изменение тока стока с изменением температуры можно охарактеризовать температурным коэффициентом тока:

. (4.12)

 

Рис. 4.12

Температурная зависимость передаточных характеристик показана на (рис. 4.12). Из характеристик видно, что в полевых транзисторах существует термостабильная точка, в которой ток стока не зависит от температуры. Величину тока стока в этой точке можно приближенно определить так:

. (4.13)

Ориентировочное положение термостабильной точки можно найти по формуле

. (4.14)

Отмеченное свойство является большим преимуществом полевых транзисторов по сравнению с биполярными и позволяет создавать целый ряд электронных устройств с повышенной температурной стабильностью.

 

Дифференциальные параметры полевых транзисторов

Ток стока и ток затвора в полевых транзисторах зависят от напряжений на затворе и на стоке:

; . (4.15)

Запишем выражения полных дифференциалов токов:

; (4.16)

. (4.17)

Частные производные, имеющие размерности проводимостей, принимают в качестве Y-параметров.

В режиме короткого замыкания по переменному току на входе и выходе их можно записать:

при − проводимость прямой передачи или крутизна сток-затворной характеристики.

Она характеризует управляющее действие затвора и численно равна величине изменения тока стока при изменении напряжения затвора на 1В.

Из выражения передаточной характеристики (4.9) получим

, (4.18)

т.е. крутизна обратно пропорциональна сопротивлению канала.

Учитывая, что , следует, что для получения высокой крутизны необходимо использовать короткий и широкий канал. При прочих равных условиях крутизна в n-полевых транзисторах выше, чем в p-канальных из-за большей подвижности электронов.

при − выходная проводимость транзистора. Вместо выходной проводимости на практике часто используется обратная величина , называемая дифференциальным (внутренним) сопротивлением транзистора. Наименьшее значение соответствует крутым участкам выходных характеристик. На пологих участках сопротивление возрастает, что обусловлено эффектом модуляции длины канала. Оно составляет десятки и сотни килоом.

при − входная проводимость, или обратная величина . Ток затвора – обратный ток, создаваемый неосновными носителями через p-n-переход, мал (порядка 10^-9 А), поэтому входное сопротивление очень высокое (порядка нескольких мегаом); мала также и входная емкость.

при − проводимость обратной передачи.

Так как , .

Для оценки усилительных свойств полевого транзистора вводится коэффициент усиления по напряжению, учитывающий относительное влияние напряжения стока и затвора на ток стока:

при . (4.19)

По найденным значениям и можно определить коэффициент усиления:

. (4.20)

Величина достигает нескольких сотен.

На рис. 4.13 показан пример определения дифференциальных параметров по выходным характеристикам.

В общем случае все Y-параметры являются комплексными.

На низких частотах, когда влиянием реактивных элементов можно пренебречь,
Y-параметры становятся вещественными величинами. Заменяя дифференциальные приращения их конечно разностными величинами, можно определить указанные параметры в заданной точке на характеристике:

; (4.21)

. (4.22)

 

 

18.Работа ПТ в усилительном режиме. Схемы усилителей

 

Работа полевого транзистора в режиме усиления

 

При использовании полевого транзистора в режиме усиления, он может быть включен по схеме с ОИ, ОС, ОЗ.

Рассмотрим работу усилительного каскада на полевом транзисторе в схеме с ОИ (рис. 4.15).

 

t

Рис. 4.15 Рис. 4.16

 

Так же как в усилителе, на БТ во входной цепи включается источник переменного сигнала . Положение рабочей точки А обеспечивается напряжением смещения. Для обеспечения смещения в цепь затвора включается сопротивление _. В цепь стока включается нагрузка . Построение нагрузочных характеристик и выбор рабочей точки аналогичны, как и в случае биполярного транзистора (рис. 4.16). Диаграммы, иллюстрирующие процесс усиления, приведены на
(рис. 4.17).

Когда , напряжение на стоке . При подаче на вход синусоидального сигнала напряжение на затворе будет . В результате будут изменяться ток стока и напря-жение на стоке .

 

 

Основные параметры режима усиления:

- рабочая крутизна:

; (4.24)

- коэффициент усиления по напряжению:

; (4.25)

- выходная мощность:

. (4.26)

Вычисление рабочих параметров с помощью нагрузочных характеристик иллюстрируется на рис. 4.17.

Определив амплитуды тока и напряжений, запишем:

. (4.27)

. (4.28)

. (4.29)

Рабочие параметры ПТ можно выразить через статические , , параметры. Продифференцируем выражение тока стока :

. (4.30)

; . Подставляя в выражение (4.30), получим:

, или

; .

Отсюда:

, (4.31)

, (4.32)

. (4.33)

Максимальная амплитуда напряжения затвора должна быть меньше напряжения отсечки с целью уменьшения искажений:

, тогда . (4.34)

Отсюда следует, что для получения высокой выходной мощности необходимо иметь транзистор с высокой крутизной и большим напряжением отсечки.

Полевые транзисторы широко используют и в импульсном (ключевом) режиме. Анализ показывает, что для повышения быстродействия ключа необходимо увеличивать удельную крутизну транзистора (за счет уменьшения длины канала), снижать пороговое напряжение и выходную емкость. В настоящее время наибольшее применение находят транзисторы с изолированным затвором, благодаря внедрению микроэлектроники. МДП-транзисторы широко используются в кремниевых интегральных схемах, особенно в сверхбольших интегральных схемах (СБИС), микропроцессорах, микроЭВМ, электронных калькуляторах, запоминающих устройствах большой информационной емкости, в электронных часах, а также в медицинской электронике и др.

Мощные МДП-транзисторы применяют в переключающих схемах. Транзисторы с управляющим переходом металл – полупроводник на GaAs используются для создания сверхскоростных цифровых интегральных схем и в
СВЧ-устройствах.

Транзисторы с управляющим переходом на кремнии используют в основном как низкочастотные дискретные приборы.

 

 

19.Классификация оптоэлектронных полупроводниковых приборов

 

Оптоэлектроника — раздел физики и техники, связанный с преобразованием электромагнитного излучения оптического диапазона в электрический ток и обратно.

Приборы оптоэлектроники:

Для преобразования света в электрический ток — фото-сопротивления (фоторезисторы), фотодиоды (pin, лавинный), фототранзисторы, фототиристоры, пироэлектрические приёмники, приборы с зарядовой связью (ПЗС), фотоэлектронные умножители (ФЭУ).

Для преобразования тока в световое излучение — различного рода лампы накаливания, электролюминесцентные индикаторы, полупроводниковые светодиоды и лазеры (газовые, твердотельные, полупроводниковые).

Для изоляции электрических цепей (последовательного преобразования «ток-свет-ток») служат отдельные устройства оптоэлектроники — оптопары — резисторные, диодные, транзисторные, тиристорные, оптопары на одно-переходных фототранзисторах и оптопары с открытым оптическим каналом.

Для применения в различных электронных устройствах служат оптоэлектронные интегральные схемы — интегральные микросхемы, в которых осуществляется оптическая связь между отдельными узлами или компонентами с целью изоляции их друг от друга (гальванической развязки).

 

 

20.Электролюминесценция. Основные типы полупроводниковых излучателей: некогерентные и когерентные полупроводниковые излучатели.

Электролюминесценция — люминесценция, возбуждаемая электрическим полем.

Наблюдается в веществах- полупроводниках и кристаллофосфорах, атомы (или молекулы) которых переходят в возбуждённое состояние под воздействием пропущенного электрического тока или приложенного электрического поля.