Является дифференциальным внутренним сопротивлением транзистора.

 

Так же как и у биполярных, у полевых транзисторов различают режимы большого и малого сигналов. Режим большого сигнала чаще всего рассчитывают с помощью входных и выходных характеристик транзистора и эквивалент­ной схемы рис. 4, а. Для анализа режима малого сигнала широко применяют малосигнальную эквивалентную схему, представленную на рис. 4 б (транзистор с каналом п -типа). Так как со­противления закрытых переходов R _ЗС и R _ЗИ в кремниевых полевых транзисторах велики (от десятков до сотен МОм), их в большинстве случаев можно не учитывать.

Типовые значения параметров кремниевых транзисторов, входящих в эквивалентные схемы на рис.4, следующие: S = 0,3-3 мА/В; R _3И »l0¹⁰Ом; R _3С »l0¹⁰Ом; R _{СИ диф} = 0,1-1МОм; С_3И » С_ЗС » 0,2-10 пФ.

Часто для практических расчетов используют малосигнальную эквивалентную схему полевого транзистора, представленную на рис.5.

 

Хотя эта схема не совсем точно отражает реальные физические процессы, протекающие в полевых транзисторах с управляющим р-п- переходом, расчеты с ней дают неплохие результаты.

Емкости у полевого транзистора, а также конечная скорость движения носителей заряда в канале определяют его инерци­онные свойства. При расчетах со схемой, показанной на рис.5, инерционность транзистора в первом при­ближении учитывают путем введения операторной крутизны характеристики

S (р)= S ₀ (1+ p×t _З), (9)

где t _З = R _к С ₃ постоянная времени, определяемая по величинам эквивалентной модели (R _к = 500 – 800 Ом, С ₃ = 0ю2 – 10 пФ). Эта постоянная времени определяет предельную частоту,

w _З = 1/ t _З,

которая соответствует значению | S (р)| = 0,7 S _о (здесь S _о - статическая величина крутизны характеристики).

Для выражения частотной зависимости крутизны характеристики иногда используют формулу

, (10)

где w_гр может быть поставлено в соответствие с w _З.

При изменении температуры параметры и характеристики полевых транзисторов с управляющим р-п -переходом изменя­ются из-за воздействия следующих факторов: изменения об­ратного тока закрытого р-п- перехода, изменения контактной разности потенциалов этого перехода и изменения удельного со­противления канала.

Обратный ток у закрытого р-п- -перехода возрастает по экспоненциальному закону при увеличении температуры. Ори­ентировочно можно считать, что он удваивается при увеличении температуры на 6-8°С. Если в цепи затвора транзистора стоит большое внешнее сопротивление, то падение напряжения на нем, вызванное изменившимся током, может существенно изменить напряжение на затворе.

Контактная разность потенциалов уменьшается при увеличе­нии температуры приблизительно на 2,2 мВ/град. При неиз­менном напряжении на затворе это приводит к увеличению тока стока. Для транзисторов с низким напряжением отсечки U _{ЗИ отс} этот эффект является преобладающим и изменения тока стока будут иметь положительные значения.

Так как температурный коэффициент, характеризующий изменение удельного сопротивления канала, положителен, то ток стока при росте температуры уменьшается. Это открывает возможность правильным выбором положения рабочей точки транзистора взаимно компенсировать изменения тока стока, вы­званные изменением контактной разности потенциалов и изменением удель­ного сопротивления канала. В итоге ток стока будет почти постоянным в широком диапазоне температур.

Рабочую точку, в которой изменение тока стока с измене­нием температуры имеет минимальное значение, называют термостабильной точкой. Ее ориентировочное положе­ние можно найти из уравнения

U _{ЗИ ТС} = U _{ЗИ отс} + U ₁, (11)

где U ₁ » 0,63 В.

Из (5) видно, что при значительном U _{ЗИ отс} крутизна характеристики в термостабильной точке невелика и от транзистора можно получить значительно меньший коэффици­ент усиления, чем при работе с малым напряжением.

Современные полевые транзисторы, выполненные на основе кремния, работоспособны до температуры 120—150 °С. Их включение в схемы усилительных каскадов с общим истоком (схема ОИ) и общим стоком (схема ОС) показано на рис.6.

 

В этих схемах источник постоянного напряжения U _см необходим для того, чтобы обеспечить работу транзистора в выбранной рабочей точке, которое определяется определенному значению интегрального сопротивления канала R _CИ и определенной величине тока стока,

I _C = E/ (R _CИ + R).

При подаче входного усилива­емого напряжения U _вхпо­тенциал затвора начинает менять­ся в соответствии с временной зависимостью входного сигнала. Соответственно из­меняются и токи стока и истока, а также падение напряжения на сопротивлении R.

В схеме ОИ амплитуда изменений падения напряжения на резисторе R (при большой величине последнего) оказывается значительно больше амплитуды входного напряжения U _вх, что означает усиление сигнала. Схема ОС не обладает усилением сигнала по напряжению. Его чаще всего используют в качестве управляемого входным напряжением источника тока.

Схема с общим затвором (ОЗ) используется лишь при усилении сигналов сверхвысокой частоты. Поскольку режим работы таких усилителей предполагает очень сложные процессы, связанные с волновыми свойствами токов, протекающих в цепях транзистора, здесь такие схемы не рассматривается.

2. Полевые транзисторы со структурой «металл-диэлектрик-полупроводник»

Полевые транзисторы со структурой «металл-диэлектрик-полупроводник» сокращенно называют МДП-транзисторами. Они могут быть двух типов: транзисторы с индуцированным каналом и транзисторы со встроенным каналом.

В первых из них канал возникает под действием управляющего напряжения, подаваемого между затвором и истоком. В отсутствие такого напряжения эти транзисторы закрыты (поэтому называются нормально закрытыми транзисторами). В случаях, когда такой транзистор используется в качестве нормально закрытого электронного ключа, управление им не потребует каких либо напряжений для постоянного смещения потенциала затвора. Однако, если организовать соответствующее смещение, транзистор будет работать в качестве линейного усилителя сигналов переменного напряжения.

В транзисторах второго типа проводящий канал создается в процессе их изготовления. Поэтому они являются нормально открытыми и могут усиливать переменный сигнал даже без смещения потенциала затвора. Если транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения канала свободными носителями тока необходимого вида, то транзисторы со встроенным каналом способны работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. По сравнению с исходным состоянием сопротивление канала этих транзисторов может быть увеличено или уменьшено с помощью внешнего управляющего сигнала.

В МДП-транзисторах (в отличие от транзисторов с управляющим р-п- переходом) металлический затвор изолирован от канала в объеме полупроводника слоем диэлектрика. Кроме того, у МДП-транзисторов имеется еще и четвертый вывод, называемый подложкой (П).

МДП-транзисторы с индуцированным каналом.

 

Поскольку принципы действия транзисторов с каналами р -типа и п- типа качественно ничем не отличаются, здесь мы рассмотрим устройство и работу МДП-транзистора с индуцированным каналом одного типа - р -типа. Упрощенный вид полупроводниковой структуры такого транзистора показан на рис.7. Здесь С обозначает сток, И – исток, З – затвор, а П – подложку. В таких транзисторах управляющее напряжение можно подавать как между затвором и подложкой, так и независимо на подложку и затвор. В транзисто­рах с индуцированным каналом под влиянием образующегося электрического поля у поверхности полупроводника появляется канал р- типа. Это происходит вследствие инверсии типа проводимости и связанос отталкиванием электронов от поверхности полупроводника п- типа в глубинные области. Изменение управляющего напряжения меняет ширину канала и, соответственно, сопротивление и ток транзистора.

 

 

 

Существенным преимуществом МДП-транзисторов является высокое входное сопротивление, достигающее значений 10¹⁰— 10¹⁴ Ом (для сравнения, у транзисторов с управляющим р-п -переходом R _вх=10⁷-10⁹Ом).

Очень часто в качестве исходного материала транзистора используют кремний, имеющий эле­ктропроводность п -типа. Роль диэлектрической пленки выпол­няет диоксид кремния SiO₂. Поэтому МДП-транзисторы иногда называют транзисторами со структурой «металл-окисел-полупроводник» (МОП-транзисторами). При отсутствии смещения (U _ЗИ = 0; U _СИ ⁼ 0; U _ИП ⁼ 0) приповерхностный слой полупроводника обыч­но обогащен электронами. Это объясняется на­личием положительно заряженных ионов в пленке диэлектрика, что является следствием предшествующего окисления кремния и фотолитографической его обработки, а также присутствием ловушек на границе Si — SiO₂. Напомним, что ловушки пред­ставляют собой совокупность энергетических уровней, рас­положенных глубоко в запрещенной зоне, близко к ее середине.

При подаче на затвор отрицательного напряжения U _ЗИэлектроны приповерхностного слоя отталкиваются в глубь полупроводника, а дырки движутся к поверхности. Приповерх­ностный слой приобретает дырочную электропроводность. В нем появляется тонкий слой с инверсным типом проводимости, который выступает в качестве канала. Если между истоком и стоком приложено напряжение, то дырки, перемещаясь по каналу, создают ток стока. Путем изменения напряжения на затворе можно расширять или сужать канал и тем самым увеличивать или уменьшать сопротивление канала и, следовательно, ток стока.

Напряжение на затворе, при котором индуцируется канал, называют пороговым напряжением U _ЗИпор. Так как канал возникает постепенно, по мере увеличения напряжения на затворе, то для исключения неоднозначности в его определении обычно задается определенное значение тока стока, при превышении которого считается, что потенциал затвора достиг порогового напряжения U _ЗИпор.

По мере удаления от поверхности полупроводника концен­трация индуцированных дырок уменьшается. На расстоянии, приблизительно равном толщине канала, электропроводность становится собственной. Затем идет слой, обедненный основными носителями заряда (т.е. р-п -переход). Благодаря ему сток, исток и канал изолированы от подложки, поскольку р-п -переход смещен приложенным напряжением в обратном направлении. Очевидно, что его ширину и, следовательно, ширину канала можно изменять за счет подачи на подложку дополнительного напряжения относительно электродов стока и истока. Сле­довательно, током стока можно управлять не только пу­тем изменения напряжения на затворе, но и за счет из­менения напряжения на подложке. В последнем случае управ­ление МДП-транзистором аналогично управлению полевым транзистором с управляющим р-п -переходом.

Для образова­ния канала на затвор должно быть подано напряжение, большее U _ЗИпор. При этом толщина образующегося инверсного слоя оказывается значительно меньшей толщины обедненного слоя; если толщина обедненного слоя колеблется от сотен до тыся­ч нанометров, то толщина индуцированного канала составляет всего 1—5 нанометров. Другими словами, дырки индуцированного канала «прижаты» к поверхности полупроводника, поэтому структура и свойства границы полупроводник — диэлектрик играют в МДП-транзисторах очень важную роль.

Дырки, образующие канал, поступают в него не только из подложки п -типа (где их мало и генерируются они сравнительно медленно), но также и из слоев истока и стока, имеющих р -тип проводимости. Действительно, в объемах, прилегающих к электродам стока и истока, концентрация дырок практически неограниченна, а напряженность поля вблизи этих электродов достаточно велика.

Рассмотрим семейство выходных вольтамперных характеристик (ВАХ) рассматриваемого МДП-транзистора (см. рис.2).

 

На рис.8. видно, что каждый из графиков, соответствующий определенному значению напряжения U _ЗИ, имеет три участка: на начальном участке ток стока быстро возрастает (крутая или омическая область), затем идет слабая зависимость тока стока от напряжения U _СИ (пологая область или область насыщения токастока) и завершает график участок пробоя. Отметим, что в крутой области I МДП-транзистор может работать как электрически управляемое сопротивление. Пологая область II обычно ис­пользуется при построении усилительных каскадов. Иногда используют также область пробоя III (для создания релаксационных генераторов).

Можно заметить, что выходные ВАХ транзисторов рассматриваемого здесь вида похожи на выходные ВАХ полевых транзисторов с управляющим р-п- переходом. Как и транзисторы с управляющим р-п -переходом, МДП-транзисторы при малых напряжениях U _СИ (в области I; рис. 8)ведут себя подобно линеаризованному управля­емому сопротивлению. При увеличении напряжения U _СИ ши­рина канала уменьшается вследствие падения на нем напряже­ния и изменения результирующего электрического поля. Это особенно сильно проявляется в той части канала, которая находится вблизи стока (рис. 9).

 

Перепады напряжения, создаваемые током I _C, приводят к неравномерному распределе­нию напряженности электрического поля вдоль канала, причем оно увеличивается по мере приближения к стоку. При напряже­нии U _{СИ нас} канал вблизи стока становится настолько узким, что наступает динамическое равновесие, при котором увеличение напряжения U _СИ вызывает уменьшение ширины канала и по­вышение его сопротивления. В итоге ток I _C мало меняется при дальнейшем увеличении напряжения U _СИ.Эти процессы изменения ширины канала в зависимости от напряжения U _СИ такие же, как и в полевых транзисторах с управляющим р-п -переходом.

Аналитичес­кие аппроксимации вольт-амперных характеристик МДП-тран­зисторов не очень удобны и мало применяются в инженерной практике. Поднако, при ориентировочных оценках тока стока в области насыщения можно использовать уравнение

, (11)

где

.

Управляющее действие подложки можно учесть путем введения коэффициента влияния по подложке

, (12)

где

называется крутизной характеристики на подложке. Она показывает, на сколько следовало бы изменить напряжение на затворе, чтобы при изменении напряжения подложки U _ПИ ток стока I_C остался неизменным. Если одновременно действуют напряжения на затворе и подложке, то в выражения (11) и (12) вместо U _ЗИследует подставить

U _{ЗИ эф} = U _ЗИ - h U _ПИ. (13)

При использовании подложки в качестве управляющего электрода целесообразно рассматривать выходные характе­ристики, определенные специально при разных напряжениях на подложке. Они имеют вид, показанный на рис.10. Здесь видна аналогия с выходными ВАХ полевого транзистора с управляющим р-п- переходом (область пробоя на рис.10 не показана, но, естественно, в действительности она существует).

 

 

Усилительные свойства МДП-транзистора демонстрируют и стоко-затворные характеристики, которые наглядно показывают влияние на ток стока I _C напряжений U _ЗИ и U _ПИ (см. рис.11). На этом рисунке видно, что пороговое напряжение U _ЗИпорсущественно зависит от напряжения на подложке.

Инерционные свойства МДП-транзисторов зависят от ско­рости движения носителей заряда в канале, а также от межэлектродных емкостей между стоком и истоком (С_си), между подложкой и истоком (С_пи) и между подложкой и стоком (С_пс). Кроме того, быстродействие транзисторов зависит от значений сопротивлений, через которые эти емкости заряжаются и разряжаются. При этом ввиду малого времени пробега носителей заряда через канал, который обычно имеет длину 0,1—5 мкм, влиянием последнего обычно пренебрегают.

 

При расчете схем, построенных на МДП-транзисторах с индуцированным каналом, используют эквивалентные схемы замещения этих транзисторов, в которых за инерционные свойства отвечают электрические емкости. На рис.12 показана одна из таких схем. Необходимо сказать, что значения емкостей, входящих в эквивалентную схему (например, в такую, что представлена на рис.12)не всегда известны. К тому же часть из них (в частности, С_пс и С_пи) меняется в зависимости от напряжений на электродах. Поэтому на практике часто измеряют входную емкость транзистора для схемы с общим истоком (С _11и), его выходную (С _22и) и проходную (С _12и) емкости.

 

 

Эти емкости характеризуют параметры полевого транзистора, который при заданном режиме измерения представлен эк­вивалентной схемой рис.13. Эта схема не очень точно отражает особен­ности транзистора, но ее параметры известны или легко могут быть измерены. Обычно значения емкостей схемы с рис.13 бывают следующими: входная емкость С _11и» 1 - 5пФ, проход­ная емкость С _12и = 0,22 пФ, выходная емкость С _22и = 2 - 6 пФ.

 

 

Кроме включения в эквивалентную схему транзистора межэлектродных емкостей, для учета инерционности используют частотную зависимость крутизны стоко-затворной характеристики. Операторное уравнение крутизны характеристики МДП-транзисторов имеет тот же вид, что и для полевых тран­зисторов с управляющим р-п -переходом:

, (14)

где w _гр » w _З = 1/ t _З, и t _З » R _СИоткр× С ₃. В типовом слу­чае при длине канала 5 мкм предельная частота, на ко­торой крутизна характеристики уменьшается в 0,7 раза, лежит в пределах нескольких сотен ме­гагерц.

Температурная зависимость порогового напряжения и на­пряжения отсечки обусловлена изменением положения уровня Ферми, изменением объемного заряда в обедненной области и влиянием температуры на значение заряда в диэлектрике. У МДП-транзисторов также можно найти термостабильную рабочую точку, в которой ток стока мало зависит от температуры. У разных транзисторов значение тока стока в термостабильной точке находится в пределах I _C = 0,05 - 0,5 мА. Важным преимуществом МДП-транзисторов перед биполярными является малое падение напряжения на них при коммутации малых сигналов. Так, если в биполярных тран­зисторах в режиме насыщения напряжение U _КЭ принципиально не может быть меньше нескольких десятков — сотен миливольт, то у МДП-транзисторов при малых токах I _C это падение напряже­ния (поскольку в этом случае транзистор работает в крутой области) мало и определяется током I _С и сопротивлением канала R _СИоткр:

U _СИ = I _С ×R _Сиоткр при | U _СИ | < | U _СИнас|. (15)

При уменьшении I _C оно может быть сведено до значения, стремящегося к нулю.

Типовые схемы включения МДП-транзистора с индуцированным каналом р -типа показаны на рис.14. На этих схемах постоянное напряжение по U _смдолжно превышать пороговое. В противном случае канал не возникнет и транзистор будет заперт.

 

 

 

В реальных схемах напряжение смещения потенциала затвора создают без дополнительного источника питания. Для этого между истоком и общим проводом схемы включают сопротивление и емкость, соединенные параллельные. Постоянная интегрирования этой цепочки должна быть достаточно большой, чтобы не создавать отрицательной обратной связи по переменному току на частоте усиливаемого сигнала.