Полевой транзистор с управляемым p-n переходом

Оглавление

Введение 1

1. Литературный обзор 1

1.1 Общие сведения 1

1.2 Структура и принцип действия 2

1.3 Статические характеристики 3

1.4 Частотные свойства полевых транзисторов с управляющим переходом. 5

2. Расчетная часть 6

2.1 Исходные данные 6

2.2 Расчет транзистора 6

Литература 12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Грандиозными темпами  развиваются области применения мощных полевых транзисторов. Значительная часть производимых в настоящий момент полевых транзисторов широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах. За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем, а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет получить повышенную чистоту спектра излучаемых радиосигналов, уменьшить уровень помех и повысить надёжность радиопередатчиков. В силовой электронике ключевые мощные полевые транзисторы успешно заменяют и вытесняют мощные биполярные транзисторы.

1. Литературный  обзор

1. Общие сведения

 

Устройство и  обозначение транзисторов разделяют на две большие группы. Первая – это биполярные транзисторы (БТ) (международный термин – BJT, Bipolar Junction Transistor). Вторая группа – это униполярные транзисторы, еще их называют полевыми (ПТ) (международный термин – FET, Field Effect Transistor). Полевые, в свою очередь, делятся на транзисторы с PN-переходом (JFET - Junction FET) и с изолированным затвором (MOSFET- Metal-Oxide-Semiconductor FET).

 

Полевой транзистор – транзистор, в котором сила проходящего через него тока регулируется внешним электрическим полем, т.е напряжением. Это принципиальное различие между ним и биполярным транзистором, где сила основного тока регулируется управляющим током. Каждый из типов полевых транзисторов может быть как с N–каналом, так и с P-каналом. У транзисторов с N-каналом в роли носителей электрического заряда выступают электроны. У транзисторов с P-каналом – дырки.

 

 

 

 

2. Структура и принцип действия

 

В качестве перехода, с помощью  которого производят управление потоком  основных носителей заряда в полевом  транзисторе, может быть p-n-переход,  гетеропереход   или   выпрямляющий   переход   Шоттки.   Наиболее распространены полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом в кристаллах кремния. Полевой   транзистор   с   управляющим   р-n-переходом   имеет два омических контакта к области полупроводника, по которым проходит регулируемый поток основных носителей заряда, и один или два управляющих р-n-перехода смещенных   в обратном   направлении. При изменении обратного напряжения  на  управляющем р-n-переходе изменяется его толщина, а, следовательно, толщина области по которой проходит управляемый поток основных носителей. Область в полупроводнике, в которой регулируется поток основных носителей заряда, называют проводящим каналом. Электрод полевого транзистора, через который в проводящий канал входят носители заряда, называют истоком. Электрод полевого транзистора,  через который из  канала  выходят носители заряда называют стоком. Электрод полевого транзистора, на который подают сигнал, называют затвором. Структура ПТУП приведена на рис.1. Структура состоит из пластины полупроводника p-типа, к торцам которой присоединены сток и исток.  Боковые грани пластины образованы областями n-типа, к которым присоединяется затвор; между p-n переходами располагается проводящий канал ПТУП, который имеет следующие геометрические размеры: L - длина, D - толщина, A – ширина.

 

 

Рис. 1. Структура и включение  ПТУП.

 

При подаче U_зи > 0 p-n-переходы оказываются под обратным напряжением и толщина канала D уменьшается, т.к. область пространственного заряда (ОПЗ) распространяется в сторону канала, в результате площадь сечения канала уменьшается, а его сопротивление возрастает. Таким образом, сопротивление канала “следит” за управляющим напряжением затвор-исток, изменяясь соответственно значением напряжения U_зи.

Из особенностей структуры  можно выделить следующие:

• Цепь управления изолирована от выходной цепи и потребляет ничтожную мощность управления;

• Эффект управления сводится к заряду управляющей ёмкости (в ПТУП это барьерная ёмкость p-n-перехода) и соответствующему изменению сопротивления канала;

• Управляющее электрическое поле (поле затвора) направлено перпендикулярно выходному току, т.е. имеем структуру с горизонтальным каналом.

 

 

 

 

3. Статические характеристики

 

Полевые транзисторы имеют  большие входные и выходные сопротивления. Поэтому в отличие от биполярных транзисторов статические характеристики полевых транзисторов удобнее и правильнее исследовать с помощью источников напряжения в качестве источников питания. Следовательно, статические характеристики полевых транзисторов должны соответствовать системе уравнений                               

I₁ = f₁(U₁; U₂);

I₂ = f₂(U₁; U₂).

Важнейшими семействами  статических характеристик для  полевого транзистора являются семейство  выходных статических характеристик  и семейство статических характеристик  передачи.

Выходные статические  характеристики полевого транзистора представляют собой зависимости тока стока от напряжения на стоке относительно истока при различных постоянных напряжениях на затворе (Рис. 2). Рассмотрим вначале характер одной зависимости I_с =f(U_си)  при U_зи = 0. Напряжение на затворе относительно истока будет равно нулю только в том случае, если затвор закорочен с истоком. Характеристика выходит из начала координат под углом, соответствующим начальному статическому сопротивлению канала и сопротивлениям R_и и R_с прилегающих к каналу областей полупроводникового кристалла с тем же типом электропроводности. Статическое сопротивление канала определяется его длиной и поперечным сечением, зависящим от толщины р-n-перехода (или р-n-переходов).

Рис. 2. Выходные статические характеристики.

 

Первая часть характеристики, которую называют крутой частью, сублинейна, т. е. ток стока растет замедленно с ростом напряжения на стоке. Объясняется эта нелинейность характеристики увеличением толщины р-n-перехода затвора около стока, так как с увеличением напряжения на стоке растет по абсолютному значению обратное напряжение на р-n-переходе затвора. Ток стока, проходя по каналу, создает его неэквипотенциальность. Таким образом, наибольшая толщина р-n-перехода и соответственно наименьшее поперечное сечение канала получаются со стороны стока.

Другой физической причиной, приводящей к сублинейности выходной характеристики, является уменьшение подвижности носителей заряда в канале при увеличении в нем напряженности электрического поля.

При некотором напряжении на стоке U_си нас — напряжении насыщения — происходит перекрытие канала из-за увеличения толщины р-n-перехода затвора. Ток стока при дальнейшем увеличении напряжения на стоке почти не растет.

При напряжении между затвором и истоком, равном нулю, и при напряжении на стоке, равном или превышающем  напряжение  насыщения,  ток  стока   называют  начальным  током стока  I_cнач. Часть характеристики, соответствующую насыщению тока стока, называют пологой областью. Следует учитывать условность понятия «перекрытие» канала при увеличении  напряжения  на  стоке  и неизменном напряжении на затворе относительно  истока, так как перекрытие канала при указанных условиях является следствием увеличения тока стока. Таким образом, можно считать, что в результате увеличения тока стока или напряжения на стоке автоматически устанавливается некоторое малое сечение канала со стороны стокового электрода.

При дальнейшем  увеличении  напряжения на стоке увеличивается  длина перекрытой части канала и растет статическое сопротивление канала. Если бы длина перекрытой части канала увеличивалась пропорционально напряжению на стоке, то ток стока не изменялся бы при напряжениях на стоке, превышающих напряжение насыщения. Однако длина перекрытой части канала увеличивается из-за увеличения толщины р-n-перехода с ростом напряжения на стоке, а толщина р-n-перехода  пропорциональна либо корню квадратному, либо корню кубическому из напряжения. Поэтому в пологой части характеристики наблюдается некоторое увеличение тока стока при увеличении напряжения на стоке.

Теперь рассмотрим смещение и изменение статических характеристик  с изменением напряжения на затворе. При подаче на затвор напряжения такой  полярности относительно истока, которая соответствует обратному смещению р-n-перехода затвора, и при увеличении этого напряжения по абсолютному значению уменьшается начальное поперечное сечение канала. Поэтому начальные участки выходных статических характеристик при напряжениях на затворе, отличных от нуля, имеют другой наклон, соответствующий большим начальным статическим сопротивлениям канала.

При больших напряжениях  на стоке может возникнуть пробой p-n-перехода затвора. Обратное напряжение на р-n-переходе затвора изменяется вдоль длины канала, достигая максимального значения у стокового конца канала. Напряжение, приложенное к р-n-переходу затвора в этом месте, является суммой напряжений на стоке и на затворе. Таким образом, пробой полевого транзистора может происходить при разных напряжениях на стоке в зависимости от напряжения на затворе. Чем больше напряжение на затворе, тем меньше напряжение на стоке, при котором произойдет пробой р-n-перехода затвора. Полевые транзисторы делают обычно на основе кремния. Поэтому пробой таких транзисторов имеет лавинный характер.

Статические характеристики передачи (рис. 3) полевого транзистора представляют собой зависимости тока стока от напряжения  на  затворе при различных постоянных напряжениях на  стоке (I_с = f(U_зи)| _{Uси = const}).  Так как основным  рабочим режимом полевых транзисторов является режим насыщения тока стока, что соответствует пологим частям выходных статических характеристик, то наибольший интерес представляет зависимость тока насыщения от напряжения на затворе при постоянном напряжении  на стоке.

 

 

Рис. 3 Передаточная характеристика.

 

Напряжение между затвором и истоком полевого транзистора  с управляющим переходом, при  котором ток стока достигает  заданного низкого значения, называют напряжением отсечки полевого транзистора U_{зи отс}, которое зависит от концентрации доноров в канале и акцепторов в затворе, а также технологической толщины канала.

При рассмотрении статических характеристик полевого транзистора были отмечены его основные статические параметры. По статической характеристике передачи можно определить еще один основной параметр полевого транзистора, характеризующий его усилительные свойства, — крутизну характеристики полевого транзистора S, которая представляет собой отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком:

 

Крутизна  характеристики  полевого транзистора составляет обычно несколько                      миллиампер на  вольт.

4. Частотные свойства полевых транзисторов с  управляющим переходом.

 

Принцип действия полевого транзистора не связан с инжекцией  неосновных носителей заряда в базу и их относительно медленным движением  до коллекторного перехода. Полевой  транзистор — это прибор без инжекции. Поэтому инерционность и частотные  свойства полевого транзистора с управляющим переходом обусловлены инерционностью процесса заряда и разряда барьерной емкости p-n-перехода затвора. Напряжение на затворе измениться мгновенно не может, так как барьерная емкость р-n-перехода затвора перезаряжается токами, проходящими через распределенное сопротивление канала и объемные сопротивления кристалла полупроводника около истока и стока. Поэтому не может мгновенно измениться и сечение канала.

На низких частотах полное входное сопротивление полевого транзистора с управляющим р-n-переходом определяется большим значением r_зи. С ростом частоты входного сигнала полное входное сопротивление транзистора уменьшается в связи с наличием емкости С_зи. Следовательно, для управления полевым транзистором при высоких частотах необходима большая мощность входного сигнала.

Кроме того, наличие в  полевом транзисторе проходной  емкости С_зс, аналогичной емкости анод — сетка в вакуумной лампе, приводит к возникновению в полевом транзисторе частотно-зависимой обратной связи. С ростом частоты увеличивается обратная связь через цепь r_сС_зс, что эквивалентно уменьшению полного входного сопротивления полевого транзистора и уменьшению его усиления.

Для получения оптимального усиления в реальных схемах на полевых  транзисторах необходимо согласование внешних сопротивлений с входным и выходным сопротивлениями транзистора. Поэтому во внешней цепи входа и выхода полевого транзистора обычно есть большие сопротивления, которые значительно увеличивают постоянные времени перезаряда емкостей полевого транзистора.

В связи с перечисленными причинами максимальные рабочие  частоты реальных схем на полевых  транзисторах с управляющим р-n-переходом не превышают нескольких сотен мегагерц.

 

 

2. Расчетная часть

1. Исходные  данные

 

Исходные данные представлены в  следующей таблице:

 

Концентрация доноров  в канале	Nd	1016	cм-3
Концентрация акцепторов в затворе	Nag	1018	cм-3
Толщина эпитаксиальной пленки	d	2.5	мкм
Глубина затвора	Xg	1.5	мкм
Длина канала	L	3	мкм
Ширина канала	B	30	мкм
Концентрация в стоке  и истоке	Nsd	1018	cм-3

2.2 Расчет транзистора

 

Экспериментальные данные обрабатывались в программе MCAD файлом обработки ПТУП.

 

Константы:

Постоянная Больцмана:   

Заряд электрона:    

Электрическая постоянная:   

Комнатная температура:   

 

Постоянные  величины для Si п/п n-типа:

 

Относительная диэлектрическая  проницаемость: 

Собственная концентрация:    

Полная концентрация примеси:    

      

      

 

 

 

 

 

 

 

 

Используемые  параметры:

Подвижность электронов:    

Контактная разность потенциалов: