823

тоты дрейфовых транзисторов, которые могут достигать десятков гига­ герц. Из-за низкой концентрации примеси в коллекторе и в зоне базы, примыкающей к коллектору, ширина обедненной области перехода воз­ растает, что приводит к снижению величины барьерной емкости Ск, а сле­ довательно, к улучшению импульсных и частотных свойств транзистора. К недостаткам следует отнести более низкие предельные напряжения и до­ пустимые мощности рассеивания на коллекторе. Вольт-амперные характе­ ристики, схемы замещения и параметры дрейфового транзистора такие же, как и диффузионного.

3.2. Однопереходный транзистор

Конструктивно однопереходный транзистор устроен следующим об­ разом. Слабо лигированная кремниевая пластинка «-типа (рис. 3.2) имеет два вывода - базу 1 (БО и базу 2 (Бг) (двухбазовый диод). В эту пластинку вблизи базы 1 внедряют точечную р-область

-эмиттер. Напряжение t/g, приложенное к Б\

иБг, распределяется линейно по длине пла­ стинки, и величина напряжения пропорцио­

нальна длинам 1\ и /2 . Полярность напряже­ ния, которое падает на участке /2 , является запирающей для перехода эмиттер - база 1. (см. рис. 3.2). Следовательно, при U3 = 0 в эмиттере будет протекать обратный ток /эо, величина которого определяется неосновны­ ми носителями. Если подать на переход эмит­

тер - база 1 напряжение 11э прямой полярности и по величине больше, чем падение напряжения на участке /2 , то эмитгерный переход откроется и база пополнится носителями, инжектированными из эмиттера. Сопротивление базы уменьшится, а следовательно, уменьшится падение напряжения на участке /2 , что приведет к возрастанию тока эмиттера и уменьшению со­ противления базы на участке /2 . Этот процесс увеличения тока и снижения сопротивления происходит лавинно, и ток эмиттера возрастает скачком до величины, которая определяется внешним сопротивлением R\ (рис. 3.3). Следовательно, ВАХ однопереходного транзистора (рис. 3.4) имеет уча­ сток с отрицательным дифференциальным сопротивлением, указанный на ВАХ пунктирной линией.

Если в цепь базы 1 включено сопротивление R\, то, используя второй закон Кирхгофа, можно записать

^ э - б 1 = ^вх ” M l •

Это уравнение называется уравнением нагрузочной прямой, и графи­ ком его является прямая линия (см. рис. 3.4), проходящая через точки хо­ лостого хода (/э = 0) и короткого замыкания (С/э _ ^ = 0). Как видно, на­

грузочная прямая пересекает статическую ВАХ однопереходного транзи­ стора в трех точках (А, В, С), из них устойчивыми являются точки А и В. Следовательно, в зависимости от величины UEX ток эмиттера принимает значение либо / э^ , либо / э^ Переход из одного состояния в другое про­

исходит скачком при достижении UEXзначений UEKJl и (7ВЫКЛ. Таким обра­ зом, однопереходный транзистор можно использовать как пороговое или переключающее устройство в импульсных схемах и схемах высокочастот­ ных генераторов прямоугольных импульсов. Величину UBKJl можно изме­ нять, меняя соотношение сопротивлений R\ и Ri.

К достоинствам такого транзистора следует отнести простоту конст­ рукции, стабильность JJEкл, малое потребление тока, высокое быстродейст­ вие.

3.3. Полевые транзисторы

Полевой транзистор представляет собой полупроводниковый элемент электрической цепи, проводимость которого меняется с помощью элек­ трического поля, отсюда и произошло его название. При этом ток управле­ ния практически отсутствует (требуется только напряжение, которое соз­ дает электрическое поле), а следовательно, значительно снижается мощ­ ность входного сигнала и увеличивается входное сопротивление транзи­ стора. В этом его главное достоинство. Иногда полевой транзистор назы­ вают униполярным транзистором, подчеркивая этим, что в отличие от би­ полярных транзисторов его работа основана на использовании одного типа

h

Выходные характеристики полевого транзистора внешне похожи на выходные характеристики биполярных транзисторов в схеме с ОЭ. На­ чальный участок этой характеристики близок к линейной зависимости, од­ нако с увеличением (Jc_и наступает насыщение, которое связано с тем, что сечение канала меняется не только от напряжения на затворе, но и от на­ пряжения Uc_ и. Поясним это следующим образом. Рассмотрим характери­ стику U3_ и = 0, в этом случае затвор и исток

соединены вместе (закорочены) и все напря­ жение сток - исток приложено к переходу за­ твор - канал. Протекающий ток /с создает па­ дение напряжения на канале, которое линейно изменяется по длине канала, имея максималь­ ный потенциал в области канала, примыкаю­ щего к стоку (рис. 3.8). Поэтому канал при увеличении Uc_ и будет сужаться неравномер­ но по длине, сильнее вблизи стоковой облас­ ти, как это показано на рис. 3.8. Рост тока /с приводит к увеличению падения напряжения на канале и, следовательно, к сужению «гор­

ловины» вблизи стоковой области. При напряжении Uc _ и, близком к на­ пряжению насыщения Uc _ и нас, сужение канала будет ощутимо снижать ток /с и, следовательно, уменьшать падение напряжения, что, в свою оче­ редь, вызовет увеличение тока. В результате установится динамическое равновесие - ток стока практически перестанет изменяться. Если напряже­ ние на затворе не равно нулю, то падение напряжения на канале суммиру­ ется с напряжением на затворе и процесс насыщения наступает при мень­ ших значениях Uc_ и. Кривая изменения Uc _ и нас при разных значениях

Uc ~ и показана на рис. 3.6 пунктирной линией. Напряжение насыщения может быть найдено следующим образом:

где U3- H- напряжение на затворе; U3_ иотс - напряжение на затворе в ре­ жиме отсечки. Режим отсечки соответствует такому напряжению на затво­ рах, при котором канал полностью перекрывается обедненной областью и ток стока определяется только неосновными носителями. Этот ток очень мал ( 1 0 ^—10 _ 9 А) и часто принимается равным нулю (см. рис. 3.7). Семей­ ство проходных характеристик обычно задается при £/с _ и > Uc _ инас, а так как при таких напряжениях ток стока практически не изменяется, то про­ ходные характеристики мало отличаются друг от друга и задаются одной характеристикой (см. рис. 3.7).

При расчетах электронных схем часто удобно пользоваться малосиг­ нальными параметрами полевого транзистора:

тем больше коэффициент усиления усилителя на полевом транзисторе по напряжению. Величина этого параметра зависит от размеров канала, а именно от отношения ширины к длине. Измеряется крутизна в миллимет­ рах на вольт;

которое измеряется в омах и в справочных данных приводится для участка насыщения;

статическим коэффициентом усиления по напряжению , величиной безразмерной, значительно большей едини-

dU,

1г =const

цы.

Все эти параметры связаны внутренним уравнением транзистора р = src, поэтому, зная два параметра, можно определить третий или, если мы их находим графическим путем по ВАХ, то можно проверить правиль­ ность их нахождения. При анализе и расчете электронных схем на полевых транзисторах приходится пользоваться малосигнальной эквивалентной схемой замещения транзистора, представленной на рис. 3.9. В этой схеме генератор тока SU3_ n = / с отражает усилительные свойства транзистора,

а сопротивления г3_ с , г3_ и, гс_ и - дифференциальные сопротивления цепей затвор - сток, затвор - исток, сток - исток; С3 _ с , С3_ и , Сс _ и - паразитные емкости соответствующих областей.

Рис. 3.9

Полевой транзистор так же, как и биполярный,может иметь три схемы включения: общий исток, общий сток и общий затвор. В усилительной технике третий вариант включения не нашел применения.

3.3.2. Полевые транзисторы типа МДП

МДП-транзисторы могут быть двух типов - со встроенным каналом и с индуцируемым каналом. Принцип их действия основан на эффекте поля, который рассмотрен в лекции 7.

МДП-транзистор со встроенным каналом. Структура такого тран­ зистора представлена на рис. ЗЛО. Как видно из рисунка, на подложке /?- типа образуются две области «-типа, соединенные между собой тонким приповерхно­ стным слоем также «-типа.

Эти области представляют собой исток и сток, а припо­ верхностный слой - канал. Над каналом расположена металлическая пленка - за­

твор, которая отделена от канала пленкой диэлектрика. Таким образом, получается структура металл - диэлектрик - полупроводник, отсюда и на­ звание - МДП-транзистор. Так как в качестве диэлектрика в интегральной технологии применяется окись кремния Si0 2 , то второе название транзи­ стора - МОП-транзистор (металл - окисел - полупроводник). Если в каче­ стве подложки использовать кремний «-типа, то исток, сток и канал долж­ ны быть р-типа, в остальном структура и принцип работы ВАХ транзисто­ ра такие же, как и транзистора с /7-подложкой.

При напряжении сток - исток, не равном нулю, через канал будет про­ текать ток, определяемый величиной напряжения и сопротивлением канала. Если теперь приложить к затвору отрицательное напряжение отно­ сительно истока, то за счет эффекта поля электроны вытолкнутся из канала (или дырки подтянутся к каналу) и канал обеднится основными носителя­ ми, сопротивление его возрастет, а ток стока уменьшится. Такой режим работы называется режимом обеднения.

Если к затвору приложить положительный потенциал относительно затвора, то электроны из подложки подтянутся к каналу, канал обогатится основными носителями, сопротивление его уменьшится, а ток стока воз­ растет. Такой режим работы называется режимом обогащения. Характери­ стика изменения тока стока при изменении напряжения затвор - исток, по­ казанная на рис. 3.11, носит название сток-затворной ВАХ МДПтранзистора. Выходные вольт-амперные характеристики МДП-транзистора показаны на рис. 3.12. Участок насыщения на этих ВАХ объясняется теми же причинами, что и участок насыщения на ВАС полевого транзистора с управляемым р-л-переходом.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом. Структура такого транзистора аналогична структуре МДП со встроенным каналом, но при и 2- и = 0 канал отсутствует (|>ис. 3.13). Поэтому ток, протекающий по цепи сток - исток, очень мал (10" -10" А), и его можно принять равным нулю.

При увеличении напряжения затвор - исток за счет эффекта поля электроны из подложки бу­ дут подтягиваться к поверхности подложки под затвором. При напряжении возбуждения канала образуется поверхностный инверсный слой л, т.е. исток и сток соединяются каналом л-типа, замыкая цепь сток - исток, по которой потечет ток.

Зависимость тока стока от напряжения на затворе (сток-затворная ВАХ) представлена на рис. 3.14. Напряжение возбужденного канала UQ численно равно 2,5-3 В. Выходные характеристики внешне выглядят так же, как и у МДП-транзистора со встроенным каналом, однако при и з- и = 0 ток практически равен нулю (рис. 3.15). Следовательно, такой транзистор работает только в режиме обогащения.

Рис. 3.15

Параметры МДП-транзисторов те же, что и полевого транзистора с управляемым /?-л-переходом: это крутизна характеристики S, дифференци­ альное сопротивление стока гс, статический коэффициент усиления напря­ жения р.

Схема замещения МДП-транзистора с индуцированным каналом представлена на рис. 3.16. В этой схеме принято, что крутизна подложки -

величина очень маленькая, поэтому усилительные свойства транзистора учитываются только генератором тока / с = SU3_ и . Сопротивления Л3 _ с и

R3_ и (их величина достигает (101 4 Ом и более) - это сопротивления ди­ электрика Si0 2 , отделяющего затвор от канала. Сопротивления гс, гп _ с и гп _ и _ соответственно дифференциальные сопротивления стока и р-п- переходов подложка - сток и подложка - исток для обратной полярно­ сти. Емкости Сп . с и Сп . и - паразитные барьерные емкости р-п-

переходов, а С 3 _ с и С 3 _ и - емкости перекрытия затвором стоковой и истоковой областей. Емкость затвор - канал (С3) в схеме замещения не пока­ зана, так как ее влияние на инерционность транзистора отражается в пара­

Емкость затвора зависит от его площади (zL), а сопротивление канала Ro прямо пропорционально длине канала и обратно пропорционально под­ вижности носителей зарядов. Таким образом, как видно из схемы замеще­ ния, инерционность МДП-транзистора определяется прежде всего пара­ зитными и межэлектродными емкостями и, кроме того, постоянной време­ ни крутизны. Поэтому часто в схемах включения исток и подложка зако­ рачиваются, что позволяет исключить емкость Си- П

Некоторые зависимости, определяющие работу МДП-транзи- стора. Как показано в [1], зависимость тока стока от Uc _ и и U2_ и доста­ точно точно описывается уравнением

соответствует начальному крутому участку выходной ВАХ (см. рис. 3.15), вторым слагаемым в скобках формулы (3.1) можно пренебречь и тогда ток стока

(3.2) Следовательно, до точки насыщения при постоянном U3_ и ВАХ име­ ет приблизительно линейный характер. На этом участке сопротивление ка­

нала

р _ ^ с -и _______ ]______

UCM = ^ з-и " ^о> полУчим (см. рис. 3.14)