Польові транзистори

МІНІСТЕРСТВО  ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЧЕРКАСЬКИЙ  ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Кафедра радіотехніки

 
 
 
 
 
 
 
Курсова робота

на тему:

«Польові  транзистори»

ЧЕРКАСИ 2009р.

 

       ЗМІСТ

      Вступ……………………………………………………………..…..  3

      1. Принцип роботи польових транзисторів.

      Класифікація  польових транзисторів………………………...…….  5

      1.1. Визначення……………………………………………..……….  5

      1.2. Принцип роботи………………………………………..……….  6

      1.3. Класифікація польових транзисторів…………………….……  18

      2. Основні параметри та характеристики…………………….……  20

      2.1. Основні параметри……………………………………….……..  20

      2.2. Вольт-амперні характеристики……………………….………..  23

      3. Схеми включення та режими роботи польових транзисторів…  27

      4. Застосування польових транзисторів……………………………  30

      4.1. Застосування польових транзисторів………………………….  30

      4.2. Приклад застосування польових  транзисторів………………..  32

      Висновок……………………………………………………………... 33

      Література……………………………………………………………. 34 

 

       ВСТУП

      Дослідники  з фірми Bell Telephone Co. «Белл телефон  лабораторіс», Джон Бардін, Уїльям Шоклі  і Уолтер Браттейн, були удостоєні  в 1956 р. Нобелівській премії по фізиці за відкриття транзисторного ефекту.

      До  кінця 40-х років, коли вступили в  дію перші великі електронні комп’ютери, фахівці з техніки зв’язку  почали шукати заміну громіздким і  крихким лампам, що служили підсилювачами. У центрі уваги опинилися кристалічні  мінерали під назвою «напівпровідники».

      Атоми в кристалах напівпровідників утворюють  грати, а їх зовнішні електрони зв’язані силами хімічної природи. У чистому  вигляді напівпровідники діють  скоріше подібно до ізоляторів: або  дуже погано проводять струм, або  не проводять взагалі. Та варто додати в кристалічну решітку невелику кількість атомів певних елементів, як їх поведінка корінним чином міняється.

      За  відповідних умов напівпровідники  можуть проводити електричний струм. Але на відміну від металів  вони проводять його двояким чином. Негативно заряджений напівпровідник прагне позбавитися від зайвих електронів: це провідність n-типу. Носіями заряду в напівпровідниках такого типу є електрони. З іншого боку, позитивно заряджені напівпровідники притягають електрони, заповнюючи дірки. Але, коли заповнюється одна дірка, поряд виникає інша - покинута електроном. Таким чином, дірки створюють потік позитивного заряду, який направлений убік, протилежну руху електронів. Це провідність p-тип.

      Транзистор - напівпровідниковий пристрій, який дозволяє керувати струмом, що протікає через нього, за допомогою прикладеної до додаткового електрода напруги.

      Транзистори є основними елементами сучасної електроніки. Зазвичай вони застосовуються в підсилювачах і логічних електронних  схемах. Транзистор є елементом мікросхем, які об'єднують в єдиний функціональний блок тисячі й мільйони окремих транзисторів. За будовою та принципом дії розрізняють біполярні транзистори й польові транзистори.

      Перший  патент на польовий транзистор отримав  у 1925 році в Канаді уродженець Львова Юліус Едгар Лілієнфельд, однак він не опублікував жодних досліджень, пов'язаних із своїм винаходом. У 1934 році німецький фізик Оскар Гайль запатентував ще один польовий транзистор. У 1947 році Джон Бардін та Волтер Браттейн із AT&T Bell Labs відкрили ефект підсилення в кристалі германію. Вільям Шоклі побачив у цьому явищі значний потенціал. Завдяки своїй роботі над новим явищем він може вважатися батьком транзистора. Термін транзистор запропонував Джон Пірс.

      В курсовій роботі докладно розглянуто призначення, принцип роботи та практичне використання польових транзисторів.

 

1. ПРИНЦИП РОБОТИ ПОЛЬОВИХ ТРАНЗИСТОРІВ.

КЛАСИФІКАЦШЯ ПОЛЬОВИХ ТРАНЗИСТОРІВ.

      1.1. Визначення.

      Польовий  транзистор - напівпровідниковий прилад, в якому струм змінюється в результаті дії перпендикулярного струму електричного поля, що створюється вхідним сигналом.

      Протікання  в польовому транзисторі робочого струму обумовлене носіями заряду тільки одного знаку (електронами або дірками), тому такі прилади називаються уніполярними (на відміну від біполярних). Струмопровідний канал сполучає дві сильно леговані області. Область, з якої носії заряду йдуть в канал, називається витоком, а область, в яку вони приходять, - стоком. Електричне поле, що змінює провідність каналу, створюється шляхом подачі керуючої напруги на електрод, що називається затвором.

      По  фізичній структурі і механізму  роботи польові транзистори умовно ділять на 2 групи: польові транзистори із затвором у виді pn переходу та польові транзистори із затвором, який ізольований від робочого напівпровідникового об'єму діелектриком.

      Так як принцип роботи польових транзисторів базується на дрейфі основних носіїв заряду, це значно спрощує їх аналіз, оскільки, в першому наближенні, можна знехтувати дифузійними струмами, неосновними носіями заряду та їх рекомбінацією.

 

       1.2. Принцип роботи.

      Принцип робот польових транзисторів полягає  в зміні провідності каналу шляхом подачі керуючої напруги на електрод, що називається затвором. Відомо, що струм лінійно залежить від напруги. Коефіцієнтом пропорційності є його провідність, яка дорівнює

       ,   (1.1)

      де  γ- питома електрична провідність, S - площа поперечного перерізу каналу провідності, l - довжина каналу

      З формули (1.1) видно, що керувати струмом можна змінюючи площу поперечного перетину каналу провідності, або змінюючи концентрацію основних носіїв заряду n, від якої залежить питома електрична провідність матеріалу.

      Тому  розрізняють два типи  польових транзисторів:

      - з керуючим p-n переходом;

      - з ізольованим затвором

      1.2.1. Принцип роботи польових транзисторів з управляючим переходом.

      В польових транзисторах с управляючим  переходом (ПТУП) для зміни провідності  каналу використовується ефект зміни  ширини області просторового заряду (ОПЗ) зворотно зміщеного переходу при  зміні прикладеної до нього напруги на затворі.

      Розглянемо  принцип дії на прикладі транзистора  з каналом провідності n-типу. На рисунку.1.1 показано конструкцію n - канального транзистора, в якому для управління використовується p⁺n перехід, що зміщений у зворотному напрямку.

      Транзистор  вмикається таким чином, щоб p-n перехід затвора знаходився під зворотнім зміщенням, а полярність напруги витік - стік вибирається такою, щоб основні носії заряду під дією електричного поля в каналі зміщувались до стоку. Для n - канального транзистора, який показаний на рисунку 1.1, на стік відносно витоку повинен подаватись додатній потенціал, до якого під дією поля будуть дрейфувати електрони. На затвор відносно стоку необхідно подавати від'ємний потенціал, щоб затворний перехід знаходився під зворотнім зміщенням.

      

      Рисунок 1.1 - Структура польового транзистора керуючим p⁺n переходом

      Оскільки  ОПЗ володіє високим опором, то при збільшенні ширини ОПЗ переріз  каналу зменшується і його опір зростає. Самий низький опір каналу і, відповідно, самий великий струм через нього буде при нульовій напрузі на затворі (Uз = 0), потім по мірі збільшення ширини ОПЗ при зростанні Uз і, відповідно, зменшенні перерізу каналу, струм буде падати та при деякій напрузі відсічки Uзо канал повністю перекриється і струм через нього перестане протікати.

      1.2.2. Еквівалентна схема польового транзистора з управляючим pn переходом.

      На  рисунку 1.2 наведено еквівалентну схему польового транзистора. Основним елементом цієї схеми, який характеризує підсилювальні властивості приладу, є залежний генератор струму SU_З. Генератор SU_З моделює процес подачі потужності від зовнішнього джерела живлення в навантаження. Частотні та імпульсні характеристики транзистора визначаються ємностями електродів: затвор-витік Cзв, затвор-стік Cзс, стік-витік Cсв. Ємності Cзв та Cзс залежать від площі затвору і степені легування каналу, ємність Cсв - найменша серед усіх розглянутих.

      

      Рисунок 1.2 - Еквівалентна схема польового транзистора з управляючим pn переходом

      Опори втрат Rзс, Rзв, Rсв досить великі і враховуються, як правило, при розрахунках електрометричних підсилювальних каскадів постійного струму. При розрахунку імпульсних каскадів та підсилювальних каскадів змінного струму їх, як правило, не враховують, оскільки провідність ємностей переважно завжди більша за шунтуючі їх провідності втрат електродів.

      1.2.3. Принцип роботи польового транзистора з ізольованим затвором.

     В основі роботи польових транзисторів з ізольованим затвором лежать властивості  МДН (метал-діелектрик-метал) структури (рисунок 1.3).

     

     Рисунок 1.3 - Приклад МДН структури

     По  суті ця структура є плоским конденсатором  однією з обкладинкою якого служить метал (затвор), другою - напівпровідник. Особливість такого МДН конденсатора по відношенню до класичного МДМ (метал-діелектрик-метал) конденсатора полягає в тому, що в об'ємі напівпровідника заряд може бути пов'язаний з носіями різної фізичної природи та різної полярності: вільними електронами та дірками, зарядженими додатньо іонізованими донорами, зарядженими від’ємно іонізованими акцепторами, а також зарядженими дефектами решітки. В МДН структурі, на відміну від pn переходу, існує гетеро-межа, яка розділяє два середовища з різною структурою, це, наприклад, межа, що розділяє напівпровідник та його окисел або інший діелектрик чи напівпровідник та повітря (вакуум). На вільній межі напівпровідника існує велика кількість обірваних зв'язків, які стараються захопити заряд із об'єму напівпровідника, а також зв'язків, що вступили в реакцію із сусіднім середовищем та ним пасивовані. Крім того на поверхні можуть знаходитись сторонні домішкові атоми та іони. Таким чином, на вільній поверхні і гетеропереході метал-діелектрик уже в початковому стані може знаходитись деякий заряд, який індукціює рівний йому за величиною та протилежний за знаком заряд в об'ємі напівпровідника. На рисунку 1.4 показана схема поверхні, яка частково пасивована радикалами ОН та атомами О, а також відповідні поверхневим дефектам поверхневі енергетичні стани, які дають додаткові рівні в забороненій зоні та які локалізовані поблизу поверхні.

     

     Рисунок 1.4 - Діаграма, яка пояснює виникнення поверхневих станів на межі кристалу