Полевые транзисторы.

Полевой транзистор в отличие от биполярного иногда называют униполярным транзистором, так как его работа основана на использовании только одного типа носителей - либо электронов, либо дырок. Основным способом движения носителей заряда, образующих ток полевого транзистора, является дрейф в электрическом поле. Проводящий слой, в котором создается рабочий ток полевого транзистора, называют каналом.

Полевой транзистор - полупроводниковый усилительный прибор, которым управляет не ток (как в биполярном транзисторе), а электрическое поле (отсюда и название - полевой), осуществляющее изменение площади поперечного сечения проводящего канала. При этом изменяется выходной ток транзистора. Каналы могут быть приповерхностными (транзисторы с изолированным затвором) и объемными (транзисторы с управляющим р-n-переходом). Приповерхностный канал представляет собой либо обогащенный слой, образующийся за счет донорных примесей в полупроводнике, либо инверсный слой, возникающий под действием внешнего поля. Такой полевой транзистор имеет классическую структуру металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структуру), в которой роль диэлектрика, как правило, играет оксид (например, двуокись кремния SiО2). Поэтому полевой транзистор с такой структурой часто называют МДП- или МОП-транзистором (металл-оксид-полупроводник).

Металлический электрод, создающий эффект поля, называют затвором (З), два других электрода - истоком (И) и стоком (С). Исток и сток в принципе обратимы. Истоком служит тот из них, из которого при соответствующей полярности напряжения между истоком и стоком в канал поступают основные носители заряда, а стоком - тот электрод, через который эти носители уходят из канала во внешнюю цепь. В зависимости от того, какой из выводов является общим для входа и выхода, различают три схемы включения полевого транзистора: с общим истоком (ОИ), с общим затвором (ОЗ) и общим стоком (ОС). Наибольшее распространение на практике нашла схема ОИ.

Принцип работы полевого транзистора. В полевом транзисторе с объемным каналом площадь поперечного сечения канала меняется за счет изменения площади обедненного слоя обратно включенного р-n-перехода. На рис. 10.9 показана схема включения полевого транзистора с управляющим р-n-переходом, выполненным в виде кольца, охватывающего n-область. Эта схема включения соответствует схеме с ОИ.

На р-n-переход затвор-исток с помощью источника питания подается обратное напряжение U_ЗИ. При его увеличении глубина d обедненного слоя (заштрихованная область на рис. 10.9) возрастает, а токопроводящее сечение b канала сужается. При этом увеличивается сопротивление канала, а следовательно, снижается выходной то I_С транзистора. Поскольку напряжение U_ЗИ прикладывается к р-n-переходу в обратном направлении, ток I_З ничтожно мал и практически мало зависит от управляющего напряжения. Вследствие этого для полевых транзисторов входная характеристика не имеет практического значения.

Рис. 10.9. Схема включения полевого транзистора с управляющим р-n-переходом

Рис. 10.10. Статические вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом (схема с ОИ): а -выходные; б - передаточные

При расчете цепей с полевыми транзисторами используют передаточные и выходные ВАХ. На рис. 17.10, а, б приведены соответственно выходные и передаточные характеристики полевого транзистора с управляющим р-n-переходом для схемы включения с ОИ. Очевидно, что эти характеристики имеют нелинейный характер.

Реальная структура МДП-транзистора с каналом n-типа показана на рис. 10.11. Металлический затвор изолирован от полупроводниковой подложки слоем диэлектрика (отсюда эквивалентное название МДП-транзистора - полевой транзистор с изолированным затвором). Пусть напряжение на затворе отсутствует, т. е. UЗИ=0. Если между стоком и истоком подвести напряжение указанной на рис. 10.11 полярности, то при нулевом потенциале на затворе на пути от истока к стоку окажутся два встречно включенных р-n-перехода. Поэтому токопроводящее сечение канала b будет обладать большим сопротивлением, а выходной ток I_C окажется ничтожно мал (примерно равен обратному току р-n-перехода). Если подать на затвор отрицательное напряжение U_ЗИ, то поверхностный слой подложки р-типа, прилегающий к металлизированной пластине затвора, обогатится дырками и значение тока I_C практически не изменится. Если же приложить к затвору небольшое положительное напряжение U_ЗИ и постепенно его повышать, то дырки под действием поля, создаваемого положительным напряжением затвора, будут уходить из поверхностного слоя в глубь подложки, а электроны - притягиваться, образуя обогащенный электронами поверхностный слой подложки, примыкающий к пластине затвора. Количество этих электронов значительно меньше, чем в областях подложки n-типа, примыкающих к истоку и стоку. Однако этого количества электронов по отношению к основным носителям заряда для р-области становится достаточно, по мере возрастания положительного напряжения на затворе, для образования слоя противоположной проводимости по отношению к подложке р-типа - инверсного слоя. Этот инверсный слой и является токопроводящим каналом n-типа, замыкающим две другие n-области подложки, примыкающие к истоку и стоку. Такой канал называется индуцированным, т. е. наведенным полем затвора. Таким образом, индуцированные каналы отсутствуют в равновесном состоянии и образуются под действием внешнего напряжения определенной полярности и определенного значения. Напряжение на затворе, при котором возникает токопроводящий канал, называется пороговым. Если выбрать подложку n-типа, а области истока и стока сделать р-типа, то получится МДП-транзистор с индуцированным р-каналом.

Рис. 10.11. Структура МДП-транзистора

В МДП-транзисторах со встроенным каналом у поверхности полупроводника под затвором, при нулевом напряжении на затворе относительно истока, существует инверсный слой - проводящий (встроенный) канал. Этот канал практически реализуют в виде тонкого приповерхностного слоя с помощью ионного легирования. МДП-транзисторы со встроенным каналом могут работать при обеих полярностях напряжения на затворе. Передаточные и выходные ВАХ данного транзистора, включенного по схеме с ОИ, показаны на рис. 10.13.

Значение выходного тока I_C полевого транзистора, как видно из вышеизложенного, зависит от приложенного к затвору напряжения. Причем эта зависимость нелинейная. Поэтому полевой транзистор, как и биполярный, является управляемым нелинейным элементом цепи.

Основными параметрами, характеризующими полевой транзистор как нелинейный элемент, являются:

коэффициент усиления по току

входное сопротивление

коэффициент усиления по напряжению

дифференциальное выходное (внутреннее) сопротивление

крутизна (определяется по передаточной характеристике)

Рис. 10.12. Переходные (а) и выходные (б) ВАХ МДП-транзистора с индуцированным каналом

Рис. 10.13. Переходная (а) и выходные (б) ВАХ МДП-транзистора со встроенным n-каналом

Входное сопротивление R_вх полевого транзистора очень велико (несколько МОм), поскольку, как отмечалось, значение тока затвора I_З очень мало.

Значение параметра R_вых определяют при работе транзистора в режиме насыщения как котангенс угла наклона выходной характеристики. Так как для полевых транзисторов режиму насыщения соответствует пологая часть выходной характеристики, то в рабочей области этот угол мал и, следовательно, выходное сопротивление оказывается достаточно большим (сотни кОм).

Крутизна передаточной характеристики отражает степень влияния входного напряжения на выходной ток, т. е. эффективность управляющего действия затвора, и составляет 1... 5 мА/В. Последние три параметра связаны соотношением

Особенности полевого транзистора. Из принципа действия полевого транзистора вытекают две основные его особенности: в установившемся режиме работы входной ток полевого транзистора стремится к нулю (т. е. R_вх стремится к бесконечности) инерционность полевого транзистора в отличие от биполярного обусловлена только процессами перезаряда его р-n-переходов.

Следует отметить, что конструкция полевого транзистора предполагает получение больших значений входных и выходных емкостей прибора. 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.

Основными преимуществами полевого транзистора являются его высокое входное сопротивление по постоянному току и большая технологичность. Последнее обусловливает широкое применение полевых транзисторов при разработке цифровых интегральных схем.

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

Тиристоры.

Тиристор — полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три (или более) выпрямляющих перехода, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Различают диодные (неуправляемые) и триодные (управляемые) тиристоры. Диодный тиристор называют динистором, а триодный — тринистором.

Рис. 10.14. Схема включения динистора

Динистор, условное обозначение которого приведено на рис. 10.0,14, представляет собой двухполюсную четырехслойную р-n-р-n-структуру. Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней n-областью, называется катодом, а с внешней р-областью — анодом. С учетом знаков приложенного к структуре внешнего напряжения переходы 1 и 3 смещены в прямом направлении, а все напряжение падает на переходе 2, который работает в режиме коллектора. Рассматриваемую структуру динистора можно представить состоящей из двух транзисторов р1-n1-р2 и n2-р2-n1, у которых области n1 и р2 условно разделены (рис. 10.14). Переход 1 представляет собой эмиттерный переход первого транзистора, через который дырки инжектируют из р1-области в область n1, выполняющую роль базы для этого транзистора. Пройдя базу и коллекторный переход 2, инжектированные дырки появляются в коллекторе p2 первого транзистора, который в то же время служит базой второго транзистора. Этот ток определяется выражением

где I_pК0 — обратный дырочный ток коллекторного перехода; α1— коэффициент передачи тока эмиттера первого транзистора.

Появление дырок в базе р2 второго транзистора (n2-p2-n1) приводит к образованию нескомпенсированного объемного заряда. Этот заряд, понижая высоту потенциального барьера эмиттерного перехода 3 второго транзистора, вызывает встречную инжекцию электронов из эмиттерной области n2 второго транзистора в область р2, являющуюся базой для второго транзистора и коллектором для первого. Инжектированные электроны проходят через коллекторный переход 2 и попадают в коллектор n1 второго транзистора, служащий одновременно базой первого транзистора (р1-n1-р2). Величина электронного тока равна

где I_nК0 —обратный электронный ток коллекторного перехода; α2 — коэффициент передачи тока эмиттера второго транзистора.

Учитывая, что дырки и электроны движутся навстречу друг-другу, суммарный ток рассматриваемой структуры равен

где I_КБ0 — суммарный обратный ток двух р-n-переходов динистора, α_∑ — суммарный коэффициент передачи тока.

Решая полученное выражение относительно I_н получают

(10.9)

Как видно из (10.9), при

Данное условие является условием переключения динистора. Физически это означает, что при α_∑=1 инжекция электронов в область n1 приводит к появлению нескомпенсированного объемного заряда, который, понижая высоту потенциального барьера перехода 1, вызывает встречную вторичную инжекцию дырок из области р1 в область n1. Далее процесс повторяется, и ток в контуре эквивалентных транзисторов лавинообразно возрастает. При изменении полярности напряжения, приложенного к рассматриваемой структуре, на обратную переходы 1 и 3 окажутся смещенными в обратном направлении. Если эти переходы достаточно высоковольтные, то вольт-амперная характеристика динистора имеет вид обратной ветви ВАХ диода.

Рис. 10.15. Вольт-амперные характеристики динистора и вагрузочвого резистора (I — открытое состояние, II — область отрицательногосопротивления, III — закрытое состояние, IV — область высокого сопротивления, V — область пробоя)

Описанные процессы определяют ВАХ динистора, показанную на рис. 10.15, на прямой ветви которой можно выделить две устойчивые зоны: область III с малыми значениями тока I_н при больших значениях напряжения U_α, и область отпирания I с большими токами I_н, при малых напряжениях U_α. Точки А и В соответствуют выполнению условия α_∑=1 и называются соответственно точками включения и удержания динистора, а соответствующие им токи называются током включения (I_вкл) и током удержания (I_уд). Между точками А и В лежит зона II, в которой динистор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. В соответствии со вторым законом Кирхгофа для схемы, представленной на рис. 10.14, имеем

Решением этого уравнения будет точка пересечения линии нагрузки R_н и ВАХ динистора (рабочая точка). Если напряжение U_α на динисторе (рис. 10.15) достигает значения напряжения включения U_вкл, рабочая точка скачкообразно переходит из состояния А в А'. При уменьшении напряжения рабочая точка из В скачкообразно переходит в В'.

Обратная ветвь ВАХ динистора может быть разделена на две области: IV (область обратного смещения) и V (область пробоя структуры).

Таким образом, управление током I_н динистора возможно только за счет изменения величины и направления напряжения внешнего источника, приложенного между анодом и катодом прибора.

Тринистор представляет собой четырехслойную полупроводниковую структуру, в которой одна из базовых областей сделана управляющей (рис. 10.16). В зависимости от того, база какого условного транзистора сделана управляющей, различают тринисторы с анодным и катодным управлением. Базовый вывод дает возможность управлять током близлежащего эмиттера. Для этого на управляющий электрод (УЭ) необходимо подать напряжение такой полярности, которая обеспечит отпирание соответствующего эмиттерного перехода. В этом случае процессы отпирания и запирания тиристора, т. е. управление его током I_н, осуществляют не за счет изменения приложенного между анодом и катодом напряжения внешнего источника (как у динистора), а за счет изменения напряжения на управляющем электроде, который является, как видно из рис. 10.16, входным электродом включенного в электрическую цепь тринистора. На рис. 10.17 приведены ВАХ тринистора, а на рис. 10.0, 15, 16 — его условные обозначения. Как видно из рис. 10.17, с возрастанием U_упр (а следовательно, I_упр) уменьшается напряжение включения тринистора и при достаточно большом значении I_упр вид прямой ветви ВАХ тринистора будет аналогичен виду прямой ветви ВАХ диода.

Рис. 10.16. Схема включения тринистора

Рис. 10.17. Вольт-амперные характеристики тринистора