Тема 2. Элементная база цифровой электроники. Основные полупроводниковые приборы. Полупроводниковые диоды и транзисторы

Полупроводниковые приборы, устройство и основные физические процессы

В основе современной электроники лежит применение полупроводниковых приборов, отчего ее часто называют полупроводниковой электроникой.

Полупроводник без примеси имеет собственную удельную электропроводность σn = 10²...10⁻⁸ См/м (у проводников σ_ме =10⁴...10⁸ См/м, у диэлектриков σ_д < 10⁻⁸ См/м). Согласно зонной теории к полупроводникам относят вещества, ширина запрещенной энергетической зоны которых ∆W < 3 эВ. Так, у германия (Ge) ∆W = 0,72 эВ, у кремния (Si) ∆W =1,11 эВ, у арсенида галлия (GaAs) ∆W =1,14эВ.

Рисунок 2.1

У проводников запрещенная зона отсутствует: валентная зона и зона проводимости частично перекрываются, что обеспечивает хорошую электропроводность металлов.

Электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне определяют электропроводность четырехвалентного полупроводника.

Электроннодырочная проводимость возникает в результате разрыва валентных связей, являясь собственной проводимостью, которая обычно невелика.

Для увеличения электропроводности в полупроводники вводят незначительное количество примесей, при этом оказывается, что в зависимости от рода примеси получают как полупроводники с дырочной проводимостью (при добавках трёхвалентной примеси — акцепторов типа индий (In)), называемых полупроводниками p-типа, так и полупроводники с электронной проводимостью (при добавках пятивалентной примеси — доноров типа мышьяк (As)), называемых полупроводниками n-типа.

При сплавлении полупроводников различных типов создаётся область объёмного заряда по обе стороны от границы раздела, называемая электронно-дырочным или p-n-переходом.

Рисунок 2.2

При этом возникает так называемый запирающий (барьерный) слой в несколько микрометров, лишенный носителей заряда, с напряженностью  Eз электрического поля, которая препятствует диффузии носителей заряда.

Потенциальная энергия поля W₀ = q_e (j_a − j_b ) = q_eU_j,, где U_j — контактная разность потенциалов; q_e =  1,602×10^-19 Кл — заряд электрона.

Рисунок 2.3

Если к p-n-переходу приложить обратное напряжение, то создаваемая им напряженность E электрического поля повышает потенциальный барьер и препятствует переходу электронов из n-области в p-область и дырок из p-области в n-область.

При этом поток неосновных носителей (дырок из n-области и электронов из p-области), их экстракция, образует обратный ток  I_обр.

Рисунок 2.4

Если включить внешний источник энергии Е, как это показано на рисунке, то создаваемая им напряженность электрического поля будет противоположной направлению напряженности  Е_з объёмного заряда, и в область раздела полупроводников будет инжектироваться все большее количество дырок (являющимися неосновными для n-области носителями заряда), которые и образуют прямой ток I_пр. При напряжении 0,3...0,5 В запирающий слой исчезнет, и ток  I^пр определяется только сопротивлением полупроводника

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство электронно-дырочного p-n-перехода.

В диодах p-n-переход используется в качестве выпрямляющего электрического перехода, разделяющего р- и n-области кристалла полупроводника.

Рисунок 2.5

При включении p-n-перехода под прямое напряжение U_пр сопротивление  p-n-перехода R^пр снижается, а ток  I_np возрастает. При обратном напряжении U_обр обратный ток I_обр неосновных носителей заряда оказывается во много сотен или тысяч раз меньше прямого тока.

При напряжении U > U_обр.max (точка а на ВАХ диода) начинается лавинообразный процесс нарастания обратного тока I_обр, соответствующий электрическому пробою p-n-перехода, переходящий (если не ограничить ток) в необратимый тепловой пробой.

Из ВАХ диода следует, что он обладает неодинаковой электрической проводимостью в прямом и обратном направлениях его включения. Поэтому полупроводниковые диоды используют в схемах выпрямления переменного тока.

Так как напряжение на полностью открытом диоде не превышает 0,5…0,7 В, то для приближенных расчетов диод рассматривают как вентиль: открыт — закрыт.

Анализ типовых ВАХ диодов показывает, что прямое напряжение Uпр на германиевом диоде почти в два раза меньше, чем на кремниевом, при одинаковых значениях прямого тока Iпр, а обратный ток Iобр кремниевого диода значительно меньше обратного тока германиевого при одинаковых обратных напряжениях Uобр. К тому же, германиевый диод начинает проводить ток при ничтожно малом прямом напряжении Uпр, а кремниевый – только при Uпр = 0,4…0,5 В.

К р- и n-областям кристалла привариваются или припаиваются металлические выводы, и вся система заключается в металлический, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый корпус.

Одну из полупроводниковых областей кристалла, имеющую более высокую концентрацию примесей, а следовательно, и основных носителей заряда, называют эмиттером. Другую область, с меньшей концентрацией примесей, называют базой.

Виды полупроводниковых диодов

Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, к быстродействию, емкости p-n-перехода и стабильности параметров которых обычно не предъявляют специальных требований, называют выпрямительными.

Выпрямительные диоды применяются в выпрямителях переменного тока. Выпрямительный диод представляет собой электронный ключ, управляемый приложенным к нему напряжением. При подаче Uпр ключ замкнут, при подаче Uобр ключ разомкнут.

Для выпрямительных диодов характерно, что они имеют малые сопротивления в проводящем состоянии и позволяют пропускать большие токи. Барьерная емкость их из-за большой площади p-n-переходов велика и достигает значений десятков пикофарад.

Германиевые выпрямительные диоды могут быть использованы при температурах, не превышающих 70-80 °С, кремниевые - до 120 - 150 °С, арсенид-галлиевые - до 150 °С. В настоящее время температурный диапазон существенно расширен.

Основные параметры выпрямительных диодов:

1. Максимально допустимое обратное напряжение диода U_{обр max}.

2. Средний выпрямленный  ток диода I_{вп ср.}

3. Импульсный прямой ток диода I_{пр и}.

4. Средний обратный ток диода I_{обр ср}.

5. Среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока U_{np cp}.

6. Средняя рассеиваемая мощность диода Р_{ср д}.

7. Дифференциальное сопротивление диода r_диф.

Импульсный диод – это диод с малой длительностью переходных процессов, предназначенный для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями p-n-перехода (доли пикофарад) и рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода. Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади p-n-перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них невелики (30—40 мВт).

Импульсные диоды работают в различных электронных схемах в качестве электронного ключа.

В быстродействующих импульсных цепях широко используют диоды Шотки, в которых переход выполнен на основе контакта металл — полупроводник. В этих диодах отсутствуют процессы накопления и рассасывания зарядов в базе, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезарядки барьерной емкости. Вольт-амперная характеристика диодов Шотки напоминает характеристику диодов на основе p-n-переходов. Отличие состоит в том, что прямая ветвь приложенного напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи малы (доли-десятки нА). (Прямое напряжение Uпр » 0,4 В, что на 0,2 В меньше, чем у обычных диодов).

Стабилитроны или опорные кремниевые диоды предназначены для использования в параметрических стабилизаторах напряжения. Рабочим участком ВАХ стабилитрона является участок обратной её ветви, соответствующий области обратного электрического пробоя p-n-перехода и ограниченный минимальным и максимальным значениями тока.

Рисунок 2.6

Основными параметрами стабилитрона являются:

Uст = 3...180 В — напряжение на стабилитроне;

 — динамическое  сопротивление на участке стабилизации;

I_ст.min и I_ст.max — минимальный и максимальный токи стабилизации (от 5 мА до 5 А);

ТКН % = (∆Uст / ∆T)×100 = 0,3…0,4 % / град — температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации, характеризующий относительное изменение напряжения стабилизации, вызванное изменением температуры на 1 °С при постоянном токе, протекающем через стабилитрон.

Биполярные транзисторы

В настоящее время широко используют биполярные транзисторы с двумя p-n-переходами, к которым чаще всего и относят этот термин. Они состоят из чередующихся областей (слоев) полупроводника, имеющих электропроводности различных типов. В зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы р-n-р и n-р-n-типов.

Типовые структуры биполярных транзисторов, изготовленных различными методами, приведены на рисунке.

Рисунок 2.7  - Структура биполярного транзистора и его условно-графическое обозначение

При подключении напряжений к отдельным слоям биполярного транзистора оказывается, что к одному переходу приложено прямое напряжение, к другому - обратное. При этом переход, к которому при нормальном включении приложено прямое напряжение, называют эмиттерным, а соответствующий наружный слой - эмиттером (Э); средний слой называют базой (Б). Второй переход, смещенный приложенным напряжением в обратном направлении, называют коллекторным, а соответствующий наружный слой - коллектором (К).

а - сплавного; б - эпитаксиально-диффузионного; в  - планарного; г — мезатранзистора; 1 - база; 2 - эмиттер; 3 - коллектор (эпитаксиальная пленка); 4 - подложка

Рисунок 2.8 - Структуры транзисторов

Однотипность слоев коллектора и эмиттера позволяет при включении менять их местами. Такое включение называется инверсным. При инверсном включении параметры реального транзистора существенно отличаются от параметров при нормальном включении.

В зависимости от технологии изготовления транзистора концентрация примесей в базе может быть распределена равномерно или неравномерно. При равномерном распределении внутреннее электрическое поле отсутствует и неосновные носители заряда, попавшие в базу, движутся в ней вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называют диффузионными или бездрейфовыми.

При неравномерном распределении концентрации примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле (при сохранении в целом электронейтральности базы) и неосновные носители заряда движутся в ней в результате дрейфа и диффузии, причем дрейф играет доминирующую роль. Такие транзисторы называют дрейфовыми. Понятие «диффузионный транзистор» отражает основные процессы, происходящие в базе, поэтому его не следует путать с технологическим процессом получения рn-переходов.

При изготовлении транзисторов эмиттер и коллектор выполняют низкоомными, а базу - относительно высокоомной (десятки - сотни Ом). При этом удельное сопротивление области эмиттера несколько меньше, чем области  коллектора.

Работа биполярного транзистора основана на взаимодействии двух рn-переходов, которое обеспечивается тем, что толщина базы b выбирается меньше длины свободного пробега L (диффузионной длины) носителей заряда в этой области, то есть b << L (t_cp существования пары электрон-дырка - время жизни, a L - расстояние, пройденное частицей за время ее жизни t_cp).

Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на примере транзистора nрn-типа, для которого концентрация основных носителей заряда в n-области существенно выше, чем в р-области, то есть N_n >> Р_р.

Для данной структуры (рисунок 2.9):

- Э (n-область) - будет инжектировать электроны в соседнюю р-область;

- К (n-область) — будет экстрактировать находящиеся в р-области электроны.

В равновесном состоянии наблюдается динамическое равновесие между потоками дырок и электронов, протекающими через каждый pn-переход, и результирующие токи равны нулю.

Рисунок 2.9 - Схема распределения токов в транзисторе nрn-типа

При подключении к электродам транзистора напряжений U_ЭБ и U_КБ (рисунок 2.9) эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный - в обратном (активный режим работы). В результате через эмиттерный переход в область базы (р-область) будут инжектировать электроны (инжекцией дырок из р-области в n-область пренебрегаем, так как N_n>>Р_р), образуя эмиттерный ток I_Э. Поток электронов, обеспечивающий ток I_Э через эмиттерный переход, показан светлой стрелкой.

Часть инжектированных в область базы электронов рекомбинируют с основными носителями заряда в этой области (дырками), образуя ток базы I_Б. Другая часть инжектированных электронов, которая достигает коллекторного перехода, с помощью электрического поля, создаваемого напряжением U_КБ, подвергается экстракции во вторую n-область транзистора - коллектор, образуя через переход коллекторный ток I_К.

Уменьшение потока электронов через коллекторный переход, а следовательно и коллекторного тока, по сравнению с потоком дырок через эмиттерный переход можно учесть следующим соотношением:

                                                                   (2.1)

где α = 0,95-0,99 - дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера.

Коэффициент α - это отношение соответствующих приращений коллекторного ∆I_К и эмиттерного ∆I_Э токов, в связи с чем его более точное название будет звучать так — динамический коэффициент передачи тока эмиттера.

Однако на практике часто название динамический (обозначение ∆) опускают, подразумевая отношение значений токов на линейных участках их зависимости.

Через запертый коллекторный переход будет создаваться обратный ток I_КБобр (I_КБ0), образованный потоком из n-области в р-область неосновных носителей заряда для коллекторной области - дырок, который совместно с током образует выходной ток транзистора:

и ток в базовом выходе:

С учетом формулы (2.1) получим значение тока коллектора:

(2.2)

Из соотношения  следует, что   

                                                                (2.3)

Разность между эмиттерным и коллекторным токами в соответствии с первым законом Кирхгофа (как видно из рисунка 2.9) представляет собой базовый ток:

то есть (2.4)

Заменив I_Э значением из формулы, получим:

 или (2.5)

Отсюда

 или (2.6)

Таким образом, - дифференциальный коэффициент передачи тока базы.

Из выражений  и  следует, что транзистор представляет собой управляемый элемент, поскольку значение тока І_К зависит от значений токов І_Э  и І_Б.

При этом значение тока І_К существенно зависит от эффективности взаимодействия двух рn-переходов, которые, в свою очередь, обеспечиваются соотношением b>>L, позволяющим уменьшить рекомбинацию инжектированных в область базы неосновных носителей заряда. Уменьшению рекомбинации инжектированных в область базы носителей заряда, а следовательно, повышению эффективности взаимодействия двух рn-переходов, способствует также меньшая концентрация основных носителей заряда в области базы по сравнению с концентрацией их в эмиттерной области.

Режимы работы биполярного транзистора

В зависимости от способа подключения pn-переходов транзистора к внешним источникам питания он может работать в режиме отсечки, насыщения или активном режиме.

При работе транзистора в активном режиме его эмиттерный переход включется в прямом, а коллекторный – в обратном направлении (рисунок 2.9). Активный режим используется в усилительных схемах, схемах генерирования, где транзистор выполняет функции активного элемента схемы.

Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении. Если эмиттерный и коллекторный pn-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Режимы отсечки и насыщения используются при работе транзисторов в ключевых режимах работы транзистора: режим отсечки соответствует состоянию «отключено», режим насыщения – «включено».

Схемы включения биполярного транзистора

В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входного и выходного сигналов, различают три схемы включения транзистора (рисунок 2.10): с общей базой (ОБ); с общим эмиттером (ОЭ); с общим коллектором (ОК).

В этих схемах источники постоянного напряжения и резисторы обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току, т. е. необходимые значения напряжений и начальных токов. Входные сигналы переменного тока создаются источниками u_вх. Они изменяют ток эмиттера транзистора, а соответственно и ток коллектора. Приращения тока коллектора (рисунок 2.10, а, б) и тока эмиттера (рисунок 2.10, в) соответственно на резисторах R_K и R_Э создадут приращения напряжений, которые и являются выходными сигналами U_вых. Параметры схем обычно выбирают так, чтобы U_вых было бы во много раз большое вызвавшего его приращения U_вх (рисунок 2.10, а, б) или близко к нему (рисунок 2.10, в).

а)

б)

в)

а – ОБ; б – ОЭ; в – ОК

Рисунок 2.10 – Схемы включения биполярных транзисторов

Рассмотрим особенности каждой схемы.

На рисунке 2.10, а представлена схема с общей базой.

В этой схеме:

I_вхб = I_Э ,  I_выхб = I_К = aI_Э ,  U_вхб = U_ЭБ , U_выхб = U_КБ = U_Н,   

Рассмотрим усилительные свойства данной схемы.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления тока)

                                                (2.7)

Следовательно, схема с общей базой не обладает усилением по току.

Коэффициент усиления напряжения

                                              (2.8)

Поскольку отношение  значительно больше входного сопротивления, схема с общей базой способна усиливать входное напряжение.

Коэффициент усиления мощности определим как отношение мощностей

.                                         (2.9)

Из полученного выражения также следует, что схема с общей базой обладает некоторым усилением по мощности, так как . Отсутствие усиления тока, малый коэффициент усиления по мощности, а также небольшое входное сопротивление ограничивают применение данной схемы. Малое входное сопротивление не позволяет осуществлять каскадное включение, так как малое входное сопротивление последующего каскада оказывает шунтирующее действие на выход предыдущего каскада, в результате чего резко снижается усиление всего усилителя.

На рисунке 2.10,б представлена схема с общим эмиттером. В данной схеме

I_вхэ = I_Б = I_Э(1-a) , I_выхэ = aI_Э, Входное сопротивление примерно на два порядка больше, чем в схеме с общей базой, так как

.                                                          (2.10)

Схема с общим эмиттером обладает усилением по току

.                                             (2.11)

Коэффициент  умножения напряжения такой же, как и в схеме с ОБ:

.                                              (2.12)

Схема с ОЭ имеет наибольший коэффициент усиления мощности

.                                              (2.13)

Данная схема имеет широкое практическое применение.

Схема с общим коллектором представлена на рисунке 2.10, в.

В этой схеме входным током является, как и в схеме с общим эмиттером,  базовый ток

I_вхк = I_Б  = I_Э(1-a).

Выходным током служит ток эмиттера I_выхк = I_Э. Схема с общим коллектором обладает наибольшим усилением  по току:

.                                                        (2.14)

Входное сопротивление схемы с общим коллектором значительно превышает входное сопротивление рассмотренных  выше  схем:

.                             (2.15)

Схема с общим коллектором не обладает усилением  напряжения,  так как

.                 (2.16)

Поскольку R_Н>>R_вxб, можно считать, что К_uк»1.

Схему с общим коллектором часто называют эмиттерным повторителем, так как нагрузка включена в цепь эмиттера. Коэффициент усиления напряжения равен примерно единице и выходное напряжение совпадает по фазе с входным.

Эмиттерный повторитель широко используют как каскад согласования сопротивлений между отдельными каскадами или между выходом усилителя и его нагрузкой. Коэффициент усиления мощности в схеме с общим эмиттером примерно равен коэффициенту усиления тока:

.                                                           (2.17)

Из сказанного следует, что любая из схем включения обладает усилением мощности. Это подтверждает то, что транзистор является активным (усилительным)  прибором.

Важнейшие параметры основных схем включения транзисторов приведены ниже и в таблице 2.1.

- Схема с ОБ: малое сопротивление на входе; отсутствие усиления по току; большое усиление по напряжению и мощности.

- Схема с ОЭ: сопротивление по входу больше, чем в схеме с ОБ; усиливает сигнал по току, напряжению и мощности.

- Схема с ОК: сопротивление по входу больше, чем в схемах с ОБ и ОЭ; усиливает сигнал по току и мощности.

Таблица 2.1 - Параметры основных схем включения биполярного транзистора

Параметр	Схема с ОЭ	Схема с ОБ	Схема с ОК
KI	Десятки-сотни единиц	Немного меньше единицы	Десятки-сотни единиц
KU	Десятки-сотни единиц	Десятки-сотни единиц	Немного меньше единицы
КР	Сотни-десятки тысяч единиц	Десятки-сотни единиц	Десятки-сотни единиц
Rвх	Сотни Ом- десятки кОм	Единицы- десятки Ом	Десятки- сотни кОм
Rвых	Единицы- десятки кОм	Сотни кОм- единицы МОм	Сотни Ом- единицы кОм

Большое значение входного сопротивления схемы с ОК предопределяет широкое применение на практике эмиттерного повторителя в качестве согласующего устройства.

Анализ данных свидетельствует об универсальности схемы с ОЭ, обеспечивающей усиление транзистора как по току, так и по напряжению. Этим объясняется широкое применение указанной схемы включения транзистора в нелинейных цепях.

Высокие значения β обусловливают также усилительное свойство транзистора по току, заключающееся в возможности малыми входными токами (током базы) управлять существенно большими токами (током I_K = βI_Б) выходной (нагрузочной) цепи.

Характеристики и основные параметры биполярных транзисторов

Биполярный транзистор характеризуется параметрами, соответствующими следующим его режимам и свойствам:

-   режим постоянного тока;

-   частотные свойства;

-   режим малого сигнала;

-   режим большого сигнала;

-   предельные режимы.

Параметрами постоянного тока, определяющими значения неуправляемых токов через р-n-переходы транзисторов, являются следующие:

- обратный ток коллектора I_КБ0 — ток через переход КБ при разомкнутой цепи эмиттера и заданном напряжении U_КБ (схема включения биполярного транзистора с ОБ);

- обратный ток эмиттера I_ЭБ0 — ток через переход ЭБ при разомкнутой цепи коллектора и заданном напряжении на эмиттере U_ЭБ (схема включения биполярного транзистора с ОБ);

- обратный ток коллектор-эмиттер I_КЭ0 — ток в цепи коллектора при непосредственно замкнутой цепи эмиттер-база и заданном напряжении на коллекторе UКЭ (схема включения биполярного транзистора с ОЭ).

Частотные свойства характеризуются следующими параметрами:

Предельная частота коэффициента передачи тока — это частота, на которой модуль коэффициента передачи тока уменьшится в Ö2 раз (до 0,707 своего значения на НЧ):

- f_h21Б (f_a ) - для схемы с общей базой (ОБ);

- f_h21Э (f_b ) - для схемы с общим эмиттером (ОЭ).

Предельная частота ограничивает ту область частот, в пределах которой можно пренебречь частотной зависимостью параметров (на более высоких частотах происходит отставание по фазе переменной составляющей тока I_К от переменной составляющей тока I_Э).

Граничная частота коэффициента передачи тока f_гр — это частота, на которой ½h_21э½ = 1.

Предельные и граничные частоты связаны соотношением:

f_гр » 0,8 f_h21Б .    

Максимальная частота генерации f_max (МГц) — наибольшая частота, на которой транзистор способен генерировать колебания в схеме автогенератора при оптимальной обратной связи.

Параметры в режиме большого сигнала характеризуют работу транзисторов в режимах, при которых токи и напряжения между выводами транзистора меняются в широких пределах.

К параметрам в режиме больших сигналов относят:

1. Статический коэффициент передачи тока (для схемы с ОЭ): h_21Э - определяется как отношение постоянного тока коллектора к току базы (для схемы с ОЭ h_21э = I_К/I_Б при заданном напряжении U_КЭ).

2. Напряжение насыщения U_БЭнас; напряжение насыщения U_КЭнас.

Параметры предельных режимов рекомендуется не превышать, но при некоторых еще обеспечивается заданная надежность:

- U_KБтах — постоянное обратное напряжение коллектор-база;

- U_БЭтах — постоянное напряжение база-эмиттер;

- U_KЭтах — постоянное напряжение коллектор-эмиттер;

- Р_Ктах — мощность, рассеиваемая коллектором (Р_Ктах = I_КU_КЭ);

- I_Ктaх — постоянный ток коллектора (а также I_Бтaх, I_Этaх);

- t_Ктах — температура коллекторного перехода.

Полевые транзисторы

Использование биполярных транзисторов, в ряде случаев затруднено, так как эти приборы управляются током, т. е. потребляют заметную мощность от входной цепи. Это препятствует их использованию при подключении к маломощным источникам входного сигнала.

Указанного недостатка лишены полевые транзисторы – полупроводниковые приборы, у которых управление выходным током осуществляется электрическим полем, создаваемым входным напряжением.

Полевые транзисторы (Field-Effect Transistor, FET) бывают двух типов: полевые  транзисторы с управляющим р-n переходом (Junction FET, JFET) и полевые  транзисторы с изолированным затвором (Insulated Gate FET, IGFET).  Транзисторы последнего типа больше известны как МОП-транзисторы, при этом название указывает на их конструкцию: металл-окисел-полупроводник (Metal- Oxide-Semiconductor  FET, MOSFET).

Рисунок 2.11 - Разновидности полевых транзисторов

Полевой транзистор с р-n переходом

Полевой транзистор, в котором управление осуществляется с помощью изменения обратного напряжения, подаваемого на управляющий p-n-переход, состоит из токопроводящего канала n-типа и двух выводов, которые получили названия исток и сток.

Слой с проводимостью p-типа называется каналом, он имеет два вывода во внешнюю цепь: С – сток и И – исток. Слои с проводимостью типа n, окружающие канал, соединены между собой и имеют вывод во внешнюю цепь, называемый затвором З.

Рисунок 2.12 - Схема включения ПТ в цепь

К истоку подсоединяют плюс, к стоку - минус источника напряжения, к затвору - минус источника.

При управляющем напряжении U_ЗИ = 0 и подключении источника напряжения между стоком и истоком U_СИ по каналу течет ток, который зависит от сопротивления канала. Напряжение U_СИ равномерно приложено по длине канала, это напряжение вызывает обратное смещение p-n-перехода между каналом p-типа и n-слоем, причем наибольшее обратное напряжение на p-n-переходе существует в области, прилегающей к стоку, а вблизи истока p-n-переход находится в равновесном состоянии. При увеличении напряжения U_СИ область двойного электрического слоя p-n-перехода, обедненная подвижными носителями заряда, будет расширяться.

Особенно сильно расширение перехода проявляется вблизи стока, где больше обратное напряжение на переходе. Расширение p-n-перехода приводит к сужению проводящего ток канала транзистора, и сопротивление канала возрастает. Из-за увеличения сопротивления канала при росте U_СИ стоковая характеристика полевого транзистора имеет нелинейный характер. При некотором напряжении U_СИ границы p-n-перехода смыкаются и рост тока I_C при увеличении U_СИ прекращается.

Рисунок 2.13

При приложении положительного напряжения к затвору U_ЗИ>0 p-n-переход еще сильнее смещается в область обратного напряжения, ширина перехода увеличивается. В результате канал, проводящий ток, сужается и ток I_C уменьшается. Таким образом, увеличивая напряжение U_ЗИ, можно уменьшить I_C.

При определенном U_ЗИ, называемом напряжением отсечки, ток стока практически не протекает.

Отношение изменения тока стока ΔI_C к вызвавшему его изменению напряжения между затвором и истоком ΔU_ЗИ при U_СИ = const называется крутизной:

S=ΔI_C / ΔU_ЗИ при ΔU_СИ = const.

Ток стока полевого транзистора сильно зависит от температуры. При нагреве ток стока при U_ЗИ=const может изменяться различным образом – как увеличиваться, так и уменьшаться.

Предельные частоты, на которых могут работать полевые транзисторы, весьма высоки. Основным ограничительным фактором здесь является емкость p-n-перехода, площадь которого сравнительно велика. Выпускаемые промышленностью полевые транзисторы с p-n-переходом способны работать в мегагерцевом диапазоне частот.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

Полевые транзисторы с изолированным затвором имеют структуру, состоящую из металла, диэлектрика и полупроводника, поэтому их часто называют МДП-транзисторами, или МОП-транзисторами (металл — оксид — полупроводник). Существуют две разновидности

МДП-транзисторов: с индуцированным и со встроенным каналами.

Рисунок 2.14

В качестве полупроводника используют кремний, поэтому диэлектриком служит слой двуокиси кремния SiO2, который создается на поверхности кристалла кремния путем высокотемпературного окисления. На этот слой диэлектрика наносится металлическая пленка — затвор.

Рисунок 2.15 - Упрощенные разрезы МДП-транзисторов с n-каналами

Наибольшее распространение получили МДП-транзисторы со встроенным n- и индуцированным p-каналом.

В МДП-транзисторе с индуцированным каналом при напряжении на затворе U₃ = 0 канал отсутствует, и соответственно при приложении разности потенциалов между истоком и стоком U_С ток стока также будет равен нулю.

Напряжение U₀, начиная с которого образуется канал (I_C > 0), принято называть напряжением отсечки, или пороговым.

Для МДП-транзистора с индуцированным n-каналом U₀, всегда имеет положительное значение, а с индуцированным р-каналом - отрицательное.

При U_З > U₀ в МДП-транзисторах с n-каналом увеличение напряжения на затворе будет приводить к уменьшению сопротивления канала за счет обогащения поверхности электронами. Ток I_С при этом будет увеличиваться. Такой режим работы МДП-транзистора принято называть режимом обогащения.

МДП-транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения.

Рисунок 2.16 - Cток-затворная ВАХ

Кривая 1 для МДП-транзистора с индуцированным n-каналом.

Кривая 2 для МДП-транзистора со встроенным каналом. При U_З = 0 канал присутствует и при U_С > 0 ток I_С > 0, т.е. протекает ток стока.

При увеличении положительного напряжения на затворе МДП-транзистора со встроенным n-каналом область канала будет обогащаться электронами, сопротивление канала уменьшаться и ток стока возрастать (режим обогащения).

При увеличении же отрицательного напряжения на затворе канал обедняется и IС соответственно уменьшается. Этот режим работы МДП-транзистора принято называть режимом обеднения.

Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в режимах и обогащения и обеднения.

Схемы включения полевых транзисторов

В зависимости от того, какой из электродов полевого транзистора подключен к общему выводу, различают схемы:

с общим истоком и входом на затвор;

с общим стоком и входом на затвор;

с общим затвором и входом на исток.

По аналогии с биполярными транзисторами, где за типовую принята схема с общим эмиттером, для полевых транзисторов типовой является схема с общим истоком.

Схема с общим истоком (ОИ)

Рисунок 2.17

Наиболее часто применяемая схема включения с общим истоком (ОИ), аналогичная схеме с общим эмиттером. Дает очень большое усиление тока и мощности и переворачивает фазу напряжения при усилении.

Схема с общим стоком (ОС)

Каскад по схеме ОС подобен эмиттерному повторителю и может быть назван истоковым повторителем.

Рисунок 2.18

Каскад по схеме ОС подобен эмиттерному повторителю и может быть назван истоковым повторителем.

Коэффициент усиления каскада по напряжению близок к единице. Выходное напряжение по значению и фазе повторяет входное.

Сравнительно небольшое выходное сопротивление и повышенное входное.

Схема с общим затвором (ОЗ)

Рисунок 2.19

Схема с общим затвором аналогична схеме с общей базой. Она не дает усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Входное сопротивление данной схемы мало, так как входным током является ток стока. Фаза напряжения при усилении не переворачивается.

Основные параметры полевых транзисторов

1. Начальный ток стока I_С.нач — ток стока при напряжении между затвором и истоком, равном нулю, и напряжении на стоке, равном или превышающем напряжение насыщения.

2. Остаточный ток стока I_С.ост — ток стока при напряжении между затвором и истоком, превышающем напряжение отсечки.

3. Ток утечки затвора I_3.ут — ток затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой.

4. Напряжение отсечки U_ЗИ.отс — напряжение между затвором и истоком транзистора с р-n-переходом или изолированным затвором, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения (обычно 10 мкА).

5. Пороговое напряжение U_ЗИ.пор — напряжение между затвором и истоком транзистора с изолированным затвором, работающего в режиме обогащения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения (обычно 10 мкА).

6. Крутизна характеристик S — отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком. Значение S зависит от рабочей точки транзистора. Измеряют S на низкой частоте (обычно 50... 1500 Гц).

Максимально допустимые параметры определяют значения конкретных режимов ПТ, которые не должны превышаться при любых условиях эксплуатации, при которых обеспечивается заданная надежность.

К максимально допустимым параметрам относятся:

максимально допустимое напряжение затвор — исток U_3И.max, затвор — сток U_3C.max, сток — исток U_СИ.тах,

максимально допустимое напряжение сток — подложка U_СП.max, исток — подложка  U_ИП.max, затвор — подложка U_3П.max.

Максимально допустимый постоянный ток стока I_С.max, максимально допустимый прямой ток затвора I_{З(пр)тах}, максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность P_max.

Задания для СРС

1. Электропроводность, основные свойства и характеристики полупроводников.

2. Классификация полупроводниковых диодов.

3. Напишите уравнение вольт-амперной характеристики диодов.

4. Охарактеризуйте разновидности пробоя полупроводникового диода.

5. Основные параметры импульсных диодов, стабилитронов.

6.    Охарактеризуйте режимы работы биполярного транзистора.

7.    Что такое коэффициенты передачи токов и как они зависят от тока эмиттера?

8.    Нарисуйте схему включения и диаграмму работы транзистора в усилительном режиме.

9.    Поясните, как определяются h-параметры по характеристикам транзистора.

10.  Нарисуйте и объясните управляющие и выходные характеристики полевого транзистора.

11.  Покажите, как определяются дифференциальные параметры полевого транзистора.

12.  Нарисуйте и объясните временные диаграммы токов и напряжений при работе полевого транзистора в импульсном режиме.