Короткі теоретичні відомості. Мета роботи — вивчити устрій, характеристики і параметри польових транзисторів, взаємозв’язки цих ха­рактеристик і параметрів; набути навикчок розрахунків

ДОСЛІДЖЕННЯ ПОЛЬОВОГО ТРАНЗИСТОРА

З КЕРУЮЧИМ p-n-ПЕРЕХОДОМ

Мета роботи — вивчити устрій, характеристики і параметри польових транзисторів, взаємозв’язки цих ха­рактеристик і параметрів; набути навикчок розрахунків параметрів транзис­тора за його статистичними характеристиками.

Короткі теоретичні відомості

Транзистором називається напівпровідниковий прилад, який склада­ється з трьох електродів (витоку, стоку і затвору).

В польових транзисторах протікання струму обумовлено дрейфом носіїв заряду одного знаку (тобто або електронів, або дірок) у поздовжньому електричному полі через керований канал п - або р -типу. Керування струмом через прилад здійснюється поперечним електричним полем, а не вхідним струмом, як в біполярних транзисторах. Завдяки цьому польові транзистори майже не споживають струму у вхідному колі. У пристроях промислової електроніки використовують польові транзистори двох типів: із затвором у вигляді р—п -переходу та з ізольованим затвором.

Устрій польового транзистора із керуючим p-n -переходом показано на рис. 1. Це пластина напівпровідникового монокристала n -типу, на торці якої нанесені контакти: витік (В) і стік (С) із керуючим p-n -переходом в середній частині — затвором (З). Область під p-n -переходом називають каналом. Він обмежений нижньою площиною пластини, а зверху — запірним шаром керуючого p-n -переходу (матеріал запірного шару практично не пропускає електричний струм). Спільний електрод транзистора — витік.

Рис. 1. Устрій польового транзистора із керуючим p-n-переходом

Якщо до транзистора не прикладена зовнішня напруга і , запірний шар затвору має малу товщину (показано подвійною косою штриховкою), а канал — більше поперечного перерізу. Тому опір каналу малий.

При подачі в затвор зворотньої для p-n -переходу напруги зона запірного шару розширюється (показано косою штриховкою), а канал звужується і його переріз зменшується. В результаті опір каналу зростає.

Змінюючи , можна змінити , іншими словами, керувати цією величиною (кажуть, що опір каналу модулюється напругою затвора ).

Очевидно також, що вимірювання приведе до виміру струму через транзистор (струм стоку ), так як

Отже, вимірюючи напругу на затворі, можна керувати струмом стоку, тобто робочим (вихідним) струмом транзистора.

По суті, керування здійснюється електричним полем затвора, яке розширює запірний шар, тому транзистор називається польовим.

Оскільки основний робочий елемент транзистора — провідний канал, його називають також канальним.

Транзистор має два основних сімейства характеристик: стоку (вихідні) і стоко-запірні (характеристики управління). Важливою являється також затворна (вхідна) характеристика.

Сімейство стокових характеристик показано на рис. 2.

Рис. 2. Сімейство стокових характеристик

Стоко-запірна характеристика показана на рис. 3. Вона може бути побудована по точках за допомогою сімейства стокових характеристик для фіксованого значення .

Затворна характеристика показано на рис. 4. По суті, це зворотна гілка вольт-амперної характеристики p-n -переходу.

Польові транзистори, як і електронні лампи, керуються електричним полем. Тому їх зручно характеризувати тими ж параметрами, що й електронні лампи: крутизною характеристики S, опорами змінної складової струмів в колах транзистора, коефіцієнтом зусилля по напрузі.

Рис. 3. Стоко-запірна Рис. 4. Затворна

характеристика характеристика

1. Крутизна характеристики

при

визначається по стоково-затворній характеристиці через тангенс кута нахилу цієї характеристики на робочій ділянці.

Наближено , де і визначається як катети характеристичного трикутника, побудованого на рис. 3. Звичайно S = 0,5…10,0 мА / В.

2. Внутрішній опір (диференціальний)

при

наближено визначається методом характеристичного трикутника, який будується на робочій ділянці лінійної характеристики (див. рис. 2) аналогічно побудові на рис. 3. Тоді

при .

Звичайно кОм.

3. Статичні коефіцієнти підсилення по напрузі

при

Наближено при і визначається по сімейству стокових характеристик або метод двох відліків. Через труднощі визначення по характеристикам коефіцієнт підсилення . Звичайно .

4. Вхідний опір (диференціальний)

при

Це опір ділянки затвор-стік змінному струму, який може бути визначений по затворній характеристиці (див. рис. 4) методом характеристичного трикутника. Звичайно МОм.

Транзистор МДН (метал – діелектрик – напівпровідник) виготовляється локальним легіруваням області під затвором. Він має структуру, показану на рис. 5.

Рис. 5. Структура МДН-транзистора

Її основні елементи — сильно леговані витік n⁺-типу, сильно легованого стоку n⁺-типу і слабо легований канал n–типу, який з’єднує витік зі стоком. Вся система цих елементів ізольована від підложки зі спільним p-n-переходом.

При подачі між витоком і стоком струм протікає через транзистор по колу n⁺-n-n⁺ навіть в тому випадку, якщо коло затвора розімкнуте.

При прикладені напруги затвора між затвором і витоком в плівці діелектрика створюється електричне поле, яке проникає в підложку і виробляє там перерозподіл заряду. При цьому можливі два випадки.

1. Поле затвору затягує в канал із підложки основні для каналу носії і відкидає неосновні в глибину, за межі каналу. За рахунок цього канал розширюється і провідність його зростає. В результаті І_с зростає.

2. Поле затвору має зворотній напрямок, тому в канал втягуються неосновні носії, а основні відкидаються в глибину за межі каналу. В результаті канал звужується і провідність його падає. При великій напрузі поля може виникнути також конверсія провідності шару, межуючого з діалектриком. За рахунок цього канал ще швидше звужується, провідність його падає і струм І_с швидко зменшується.

Таким чином, змінюючи величину і знак U_з, можна розширювати або звужувати провідний канал, показаний пунктиром рис. 5, а отже, керувати струмом стоку як в сторону його зростання, так і в сторону зменшення.

Цей транзистор, як і попередні, має два сімейства характеристик: стокові (вихідні) і стоково-затворні (характеристики керування).

Вхідний струм , тому вхідна характеристика практично співпадає з віссю напруг.

Сімейство стокових характеристик при = const показано на рис. 6.

Зміна характер кривих не міняє, а лише зміщує характеристику, як це показано на рис. 6.

Рис. 6. Сімейство стокових характеристик при = const

Сімейство стоково-затворних характеристик при =const показано на рис. 7.

Рис. 7. Сімейство стоко-запірних характеристик

при =const

Всі характеристики сімейства практично вкладаються в одну криву. Транзистор із вбудованим каналом не має порогової напруги і керується як позитивними, так і негативними напругами на затворі.

МДН-транзистори оцінюють тими ж параметрами: крутизною характеристики S, вихідним і вхідним опорами змінним складаючим струмом (сигналу) в колах транзистора, коефіцієнтом підсилення по напрузі , які визначаються по тим же характеристикам, що і параметри польового транзистора з керуючим p-n -переходом.

Слід відмітити, що визначення — не проста задача, так як затвор ізольований від підложки шаром діелектрика, володіючого дуже високим питомим опором (порядку 10¹⁰- 10¹² Ом ∙ см), тому дуже малий (10^-8 – 10^-10 А). Разом з тим дуже великий — перевага польових транзисторів з ізольованим затвором. Звичайно >10 МОм.

По типу провідності електродів транзистори бувають із затвором п- типу та р- типу і, відповідно, каналом р- типу та п- типу. Їхні схемні позначення показані на рис. 8.

Рис. 8. Схемні позначення транзисторів