МДП-транзисторы с индуцированным каналом
Принцип действия. При напряжении на затворе относительно истока равном нулю и при наличии напряжения на стоке ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток р-n-перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 4.12) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе у поверхности полупроводника под затвором возникает обедненный основными носителями слой и область объемного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов.
Рис. 4.12
При напряжениях на затворе, больших Uзи пор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, т. е. ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания (схема включения полевого транзистора с изолированным затвором аналогична схеме включения полевого транзистора с управляющим р-n-переходом, но полярности внешних источников питания различны для транзисторов с р- и n-каналом). Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.
В связи с тем, что затвор отделен от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.
Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти все напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряженности электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда – дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем, и их энергия увеличивается за счет энергии источника питания в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нем подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, т. е. мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.
Выходные статические характеристики. Характер зависимостей Iс = =(Uси) при Uзи = const для МДП-транзистора с индуцированным каналом аналогичен характеру таких же зависимостей для полевого транзистора с управляющим р-n-переходом. Сублинейность крутых частей характеристик (рис. 4.13, а) объясняется уменьшением толщины канала около стока при
а б
Рис. 4.13
увеличении напряжения на стоке и неизменном напряжении на затворе, так как на сток и на затвор подаются потенциалы одного знака относительно истока. Следовательно, разность потенциалов между стоком и затвором или между затвором и прилегающей к стоку частью канала уменьшается. Другими словами, из-за прохождения по каналу тока стока получается неэквипотенциальность канала по его длине. Поэтому при увеличении тока стока происходит уменьшение поперечного сечения канала около стока. При напряжении насыщения Uси нас происходит перекрытие канала около стока, и дальнейшее увеличение напряжения на стоке вызывает очень малое увеличение тока стока.
Сублинейный характер зависимостей Ic = f(Uси) вызван также эффектом насыщения дрейфовой скорости носителей заряда или уменьшением их подвижности в сильных полях, как и в полевых транзисторах с управляющим р-n- переходом.
При увеличении напряжения на затворе (по абсолютному значению) выходные статические характеристики смещаются в область больших токов стока (рис. 4.13, а), что легко понять на основе принципа действия МДП-транзистора с индуцированным каналом.
При больших напряжениях на стоке может произойти пробой МДП-транзистора, при этом может быть два вида пробоя – пробой р-n-перехода под стоком и пробой диэлектрика под затвором.
Пробой p-n-перехода обычно имеет лавинный характер, так как МДП-транзисторы изготовляют обычно на кремнии. При этом на пробивное напряжение Uси проб может влиять напряжение на затворе: так как на сток и на затвор МДП-транзистора с индуцированным каналом подаются потенциалы одной полярности, то с увеличением напряжения на затворе будет увеличиваться Uси.проб. Пробой диэлектрика под затвором может происходить при напряжении на затворе всего в несколько десятков вольт, так как толщина слоя двуокиси кремния – около 0,1 мкм. Пробой обычно имеет тепловой характер, происходит при шнуровании тока, и поэтому даже при небольших энергиях импульсов напряжения могут произойти необратимые изменения в диэлектрике. Этот вид пробоя может возникать в результате накопления статических зарядов, так как входное сопротивление МДП-транзисторов велико. Для исключения возможности такого вида пробоя вход МДП-транзистора часто защищают стабилитроном, ограничивающим напряжение на затворе.
Статические характеристики передачи. Характер зависимостей Iс = =f(Uзи) при Uси = const ясен из принципа действия МДП-транзистора с индуцированным каналом. Характеристики для разных напряжений на стоке выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей пороговому напряжению Uзи.пор (рис. 4.13, б). С увеличением напряжения на стоке при неизменном напряжении на затворе ток стока возрастает даже в пологой части статических выходных характеристик (рис. 4.13, а), что приводит к смещению характеристик передачи вверх в выбранной системе координат.
4.3. Дифференциальные параметры и их определение по статическим характеристикам
Параметры транзисторов можно определить по статическим характеристикам, как показано на рис. 4.14. Для рабочей точки A (Uс/, Ic/, Uзи/) крутизна и дифференциальное сопротивление определяются следующими выражениями:
(4.10) 
(4.11) 
Рис. 4.14
Статический коэффициент усиления по напряжению:
, определяется при постоянстве тока стока.
Графически его не всегда можно найти.
Поэтому он рассчитывается по уравнению 
µ = SRi .
4.4. Основные параметры полевых транзисторов
и их ориентировочные значения
К основным параметрам полевых транзисторов относят:
1). Крутизну характеристики
(4.12)
2). Крутизну характеристики по подложке
(4.13)
3). Статический коэффициент усиления по напряжению µ – от нескольких единиц до сотен;
4). Напряжение отсечки (Uзи отс = 0,2…10 В);
5). Пороговое напряжение Uзи пор (Uзи пор = 1…6 В).
6). Сопротивление сток-исток в открытом состоянии Rотк (Rотк = 2 …300 ОМ), дифференциальное сопротивление Ri = dU/dI 
UСИ = const в пределах 5...100 кОМ.;
6). Постоянный ток стока Icмакс (десятки миллиампер – десятки ампер).
7). Остаточный ток стока Ic ост – ток стока при напряжении Uзи отс (Ic ост = = 0,001…10мА);
8). Максимальную частоту усиления fp– частоту, на которой коэффициент усиления по мощности Кр равен единице (fp – десятки, сотни мегагерц – до нескольких десятков гигагерц).
9). Начальный ток стока Iс нач – ток стока при нулевом напряжении Uзи; у транзисторов с управляющим р-n-переходом Iс нач = 0,2 … 600 мА; с технологически встроенным каналом Iс нач = 0,1… 100 мА; с индуцированным каналом Iс нач = 0,01… 0,5 мкА.
Обозначения полевых транзисторов аналогичны обозначениям биполярных транзисторов, только вместо буквы Т ставится буква П, например, КП1ОЗА, 2П303В и т. д.
Широкое распространение получают полевые транзисторы с барьером Шотки. Перспективными транзисторами являются полевые транзисторы на арсениде галлия, работающие на частотах до десятков – сотен гигагерц, которые можно использовать в малошумящих усилителях СВЧ, усилителях мощности и генераторах.
Дата добавления: 2015-05-13; просмотров: 7778;