Польові транзистори

     Якщо  зарядити одну з обкладинок МДН конденсатора - затвор, то на другій - напівпровідниковій обкладці повинен з'явитись заряд, рівний за величиною та протилежний за знаком і який буде зв'язаний з поверхневими станами іонізованими атомами домішки та вільними носіями заряду. Якщо індукційований зовнішнім полем заряд на напівпровідниковій обкладці перевищуватиме зміну заряду на поверхневих станах, то в приповерхневій області напівпровідника відбувається зміна концентрації вільних носіїв заряду. Це супроводжується зміною поверхневої провідності та, відповідно, струму, що протікає вздовж поверхні у тому випадку, якщо існує поле, що напрямлене вздовж поверхні, як це показано на рисунку 1.5.

     

     Рисунок 1.5 - Зміна поверхневої провідності напівпровідника в МДН структурі (ефект поля):1 - напівпровідник n типу, 2 - власний напівпровідник, 3 - напівпровідник p типу

     В тій приповерхневій напівпровідниковій області, де існує електричне поле є  збіднена носіями область просторового заряду, яка за властивостями аналогічна області ОПЗ pn переходу і працює як діелектрик. При зміні потенціалу на металічній обкладці (затворі) МДН конденсатора буде змінюватись і заряд ОПЗ та, відповідно, ширина збідненої області. При цьому буде змінюватись ємність МДН структури. Залежності ємності МДН структур від прикладеної до них напруги наведені на рисунок 1.6. Ємність МДН структури можна розглядати як таку, що складається з двох послідовно увімкнених ємностей: ємності діелектрика - С_д та ємності шару просторового заряду в напівпровіднику С_нп:

          (1.2)

     Якщо  С_д >> С_нп, то можна з хорошим наближенням вважати, що ємність структури визначається ємністю ОПЗ, тобто С = С_нп.

     Якщо  С_нп >> С_д, то наближено можна вважати, що С = С_д, тому максимальне значення ємності на рисунку 1.6 обмежене лінією С = С_д.

     

Рисунок 1.6 - Зміна ємності МДН структур в залежності від напруги 
на затворі:1 - напівпровідник n типу, 2 - власний напівпровідник, 
3 - напівпровідник p типу

     Необхідно звернути увагу на те, що усі криві рисунок 1.5 та рисунок 1.6 мають точки мінімуму. Ці точки відповідають випадкові мінімальної поверхневої провідності, яка існує тоді, коли на поверхні концентрації електронів і дірок близькі до власної та рівні за значенням. Тоді збільшення потенціалу затвора відносно значення відповідного точці мінімуму повинно збагачувати поверхню електронами, а зменшення потенціалу відносно потенціалу точки мінімуму - збагачувати поверхню дірками. При цьому відповідно з різних сторін від точки мінімуму повинен існувати різний тип провідності в приповерхневій області.

     На  рисунку 1.7 зображені енергетичні діаграми МДН структури при різних значеннях потенціалу Uз. В якості прикладу вибрано матеріал n типу. Точка A відповідає випадкові нульового потенціалу на затворі. Оскільки матеріал n типу рівень Фермі знаходиться в верхній половині забороненої зони і для концентрації електронів у глибині матеріалу можна записати (через власну концентрацію n_i):

        (1.3)

     де  φ_о = 1/q(E_i−F). При записі (1.3) вважалось, що у власному напівпровіднику рівень Фермі знаходиться при E_iв (приблизно посередині забороненої зони). На рисунку 1.6 для точки A поблизу поверхні відбувається викривлення зон (і, відповідно, E_i), що свідчить про наявність поверхневого потенціалу φ_s = 1/q(E_is−F) заряду, який захоплений поверхневими станами (N_S). Для поверхневої концентрації електронів n_s та дірок p_s аналогічно як в (1.3) можна записати:

           (1.4)

     Як  видно з рисунку 1.6 для т. А φ_s< φ_о а, отже, і поблизу поверхні концентрація електронів є нижчою, ніж в об'ємі, тобто існує деяке початкове збіднення поверхні основними носіями заряду.

     Рисунок 1.7 - Енергетичні діаграми приповерхневої напівпровідникової області n - типу при різних значеннях напруги на МДН структурі (рисунок 1.4, рисунок 1.5): т. А - початковий стан (U_зA = 0), т. B - збіднення (U_зB < 0), 
т. C інверсія (U_зC < U_зB < 0), т. D збагачення (U_зD > 0)

     Якщо  подати на затвор від'ємний потенціал, то буде відбуватись подальше збіднення  поверхні електронами і при деякій напрузі на структурі (т. B на рисунку 1.6) φ_s стане рівним 0. При цьому у відповідності до (1.4) поверхневі концентрації рівні: n_s=p_s=n_i. При подальшому збільшенні від'ємного заряду на затворі відбуватиметься подальше викривлення зон і φ_s змінить знак, при цьому p_s> n_s > n_i та n_s < n_i, тобто на поверхні відбувається зміна типу провідності - інверсія знаку носіїв на поверхні відносно об'єму (т. C на рисунку 1.6). І чим більшим буде від'ємний заряд на затворі, тим більшою буде діркова провідність на поверхні. Напругу на затворі, що викликає інверсію провідності, прийнято називати пороговою (U_п), якщо |φ_s|=2(E_c−F).

     Якщо  подати на затвор додатну напругу, то величина φ_s зростає і, відповідно концентрація електронів збільшується. Дійсно електричне поле поблизу поверхні буде притягувати електрони та відштовхувати дірки (їх концентрація зменшується). Коли поверхня збагачується основними вільними електронами чи дірками (у випадку інверсії) ширина ОПЗ наближається до нулю і ємність структури визначається тільки товщиною діелектрика. В цьому випадку збагачена вільними носіями поверхня напівпровідника поводиться як поверхня металу.

     Отже  основі роботи МДН транзистора лежить розглянутий ефект керування поверхневою провідністю та поверхневим струмом за допомогою затвора. Для того, щоб забезпечити проходження керованого струму під затвором, створюють дві електродні області: витік та стік. На рисунку 1.8 наведено конструкцію МДП транзистора з індукованим n каналом.

     Напівпровідникові області витоку та стоку створюють  із сильно легованого матеріалу і такого, який володіє хорошою провідністю і відрізняється за типом провідності від матеріалу базового кристалу. Таким чином, при відсутності різниці потенціалів на затворі між витоком та стоком виявляються два зустрічно увімкнених діоди і, відповідно, струм в цьому колі буде рівний зворотному струмові одного з діодів, тобто досить малий і транзистор буде знаходитись у закритому стані. Для того, щоб транзистор відкрився, на затвор необхідно подати такий потенціал відносно потенціалу підзатворної ділянки, щоб на поверхні відбулася інверсія провідності. При цьому під затвором індукціюєця область n типу, яка утворює канал, що з'єднує n області витоку та стоку, зустрічно увімкнені, pn переходи зникають та в стоковому колі починає протікати струм. Різниця потенціалів затвора, при якій відбувається інверсія провідності підзатворної області та починає протікати струм, називають пороговою (U_п). Стоковий струм тим вищий, чим більшим є індукований в каналі заряд і, відповідно, більшою є провідність індукованого каналу.

     

     Рисунок 1.8 - МДН транзистор з індукованим n каналом

     При роботі транзистора в підсилювальному  режимі полярність напруги на стоці  відносно витоку задається такою, щоб  основні носії дрейфували до стоку.

      Полярність напруг, які прикладаються до електродів МДН з індукованими n та p каналами при їх роботі в підсилювальному режимі, протилежна. Для n канального транзистора на затвор подається плюс відносно витоку, на p канальний транзистор - мінус. За стік приймається той електрод транзистора, до якого дрейфують основні носії, тобто в p-канальному транзисторі стік повинен бути від'ємним відносно витоку, а в n-канальному - додатнім (рисунок 1.8).

 

       1.2.4. Еквівалентна схема польового транзистора з ізольованим затвором.

     На  рисунку 1.9 наведено еквівалентну схему польового транзистора з ізольованим затвором, яка враховує можливість управління за підкладкою.

     

     Рисунок 1.9 – Еквівалентна схема МДН транзистора

      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. Генератор SU_підк моделює можливість управління за підкладкою.

     1.2.5 Вплив підкладки на роботу МДН транзистора.

     Розглянемо  вплив підклади на характеристики МДН  транзистора.

     Якщо  підкладка має додатній потенціал  відносно стоку, як це показано на рисунку 1.10, то цей потенціал буде піднімати потенціал каналу, що буде викликати зменшення різниці потенціалів між затвором та каналом та, відповідно, буде зменшуватись заряд, індукований в каналі, і провідність каналу. Тому потенціал підкладки подібно до потенціалу на затворі може керувати провідністю каналу. Відміна буде полягати в тому, що якщо збільшення додатного потенціалу на затворі викликає збільшення струму стоку, то збільшення додатного потенціалу на підкладці викликає зменшення струму стоку. З урахуванням цієї примітки для області крутої ВАХ транзистора можна записати вираз в наступному виді:

         (1.5)

     де  коефіцієнт k залежить від конструктивних особливостей транзистора. В пологій області ВАХ транзистора з урахуванням впливу підкладки, після підстановки в (1.5) U_с = U_с−U_п приймуть вид:

   (1.6)

     Підсилювальні властивості МДН транзистора будуть характеризуватись крутизною за підкладкою:

      (1.7)  (1.7)

     

     Рисунок 1.10 - Увімкнення МДН транзистора з управлінням за підкладкою

 

      1.3. Класифікація  польових транзисторів.

      Як  вже зазначалося за конструкцією серед різновидів польових транзисторів можна виділити два основні класи: польові транзистори із затвором у виді pn переходу та польові транзистори із затвором, який ізольований від робочого напівпровідникового об'єму діелектриком. Прилади цього класу часто також називають МДН транзисторами (від словосполучення метал - діелектрик - напівпровідник) та МОН транзисторами (від словосполучення метал - окис - напівпровідник), оскільки в якості діелектрика найчастіше використовується оксид кремнію. В свою чергу транзистори з ізольованим каналом поділяються на транзистори з вбудованим каналом та індукованим каналом.

      Також польові транзистори підрозділяються  на транзистори з каналом провідності n-типу або p-типу. Умовне графічне зображення польових транзисторів зображене на рисунку 1.11.

      

 а)  б)  в)  г)  д)  е)

Рисунок 1.11. Умовне графічне зображення польових транзисторів:

     а) – з керуючим p-n переходом з  каналом провідності n-типу,

     б) – з керуючим p-n переходом з  каналом провідності p-типу,

     в) – з ізольованим затвором з індукованим каналом n-типу,

     г) – з ізольованим затвором з  індукованим каналом p-типу,

     д) – з ізольованим затвором з  вбудованим каналом n-типу,

     е) – з ізольованим затвором з вбудованим каналом p-типу

     Також класифікацію транзисторів виконують:

     - за напівпровідниковим матеріалом ( кремнієві, германієві і т.д.);

     - за їх функціональним призначенням (підсилювальні, імпульсні, малошумні, високовольтні, потужні і т.д.);

     - за потужністю ( малої потужності – до 0,3 Вт, середньої потужності – від 0,3 до 1,5 Вт, великої потужності – більше 1,5 Вт);

     - за частотою ( низької частоти – до 3 Мгц, середньої частоти – 3-30Мгц, високої частоти – 30-300 Мгц, надвисокої  частоти (НВЧ )більше 300 Мгц.

 

       2. ОСНОВНІ ПАРАМЕТРИ  ТА ХАРАКТЕРИСТИКИ

      2.1. Основні параметри.

      Основі  параметри встановленні державним підприємство «Український науково-дослідний і навчальний центр проблем стандартизації, сертифікації та якості». ДСТУ 2172-93

      2.1.1. Початковий струм стоку I_С.поч – струм стоку при напрузі між затвором і витоком, рівній нулю і напрузі на стоці, рівному або що перевищує напругу насичення.

      2.1.2. Залишковий струм стоку I_С.зал – струм стоку при напрузі між затвором і витоком, що перевищує напругу відсічення.

      2.1.3. Струм витікання затвора I_С.вит – струм затвору при заданій напрузі між заслоном та рештою виводів, замкнених між собою