Тема:
«Полевые транзисторы с изолированным затвором»
Содержание
Введение
1. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
1.1 Устройство и принцип действия
1.2 Статические характеристики полевого транзистора с управляющим р-n- переходом
1.3 Основные параметры
2. Полевой транзистор с изолированным затвором
2.1 Устройство и принцип действия
2.2 Статические характеристики МДП - транзисторов
2.3 Основные параметры МДП - транзисторов и область их применения
2.4 МДП-транзисторы с индуцированным каналом
2.5 МДП-транзисторы со встроенным каналом
2.6 МДП-структуры специального назначения
3. Главные преимущества и недостатки полевых транзисторов
3.1 Преимущества полевых транзисторов
3.2 Недостатки полевых транзисторов
4. Усилители на полевых транзисторах
4.1 Усилители с общим истоком
4.2 Усилители с общим стоком
Заключение
Список литературы
Введение
усилитель транзистор полевой статический
Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля. Полевые транзисторы называют также униполярными, так как в процессе протекания электрического тока участвует только один вид носителей.
Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим переходом и с изолированным затвором. Все они имеют три электрода: исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители).
Идея полевого транзистора с изолированным затвором была предложена Лилиенфельдом в 1926;1928 годах. Однако объективные трудности в реализации этой конструкции позволили создать первый работающий прибор этого типа только в 1960 году. В 1953 году Дейки и Росс предложили и реализовали другую конструкцию полевого транзистора -- с управляющим p-n-переходом. Наконец, третья конструкция полевых транзисторов -- полевых транзисторов с барьером Шоттки -- была предложена и реализована Мидом в 1966 году.
Актуальность темы. Полупроводниковые устройства, такие как диоды, транзисторы и интегральные схемы используются весьма широко в различных устройствах специальной и бытовой техники, таких, как плееры, телевизоры, автомобили, стиральные машины и компьютеры. Полупроводниковые приборы прочно вошли в нашу жизнь, их характеристики продолжают совершенствоваться, а цена - снижаться. Особенно характерно это на примере компьютеров, когда сложность и характеристики современного компьютера значительно превышают возможности персональных компьютеров пятилетней давности. Прогресс в области вычислительной техники значительно превышает прогресс в других областях техники. Например, невозможно представить улучшение характеристик автомобиля в пять раз (по мощности и скорости) за пять лет по той же самой цене. Тем не менее, когда речь идет о персональных компьютерах, такие ожидания вполне реальны. Определяющим фактором такого прогресса является совершенствование технологии производства транзисторов и микросхем, их микроминиатюризация, в частности на основе полевых транзисторов. Характеристики этих устройств улучшаются год от года, потребляемая мощность снижается, их стоимость уменьшается. Поэтому изучение физики работы таких приборов, технологии их производства и применения в различных областях является весьма актуальной темой.
Цель данной курсовой работы - изучение полевых транзисторов с изолированным затвором.
В соответствии с целью необходимо выполнить следующие задачи:
- подобрать литературу по теме курсовой работы;
- изучить полевой транзистор с управляющим p-n-переходом;
- изучить полевой транзистор с изолированным затвором;
- изучить главные преимущества и недостатки полевых транзисторов;
- изучить усилители на полевых транзисторах.
Курсовая работа состоят из: введения, 4 глав, заключения и списка литературы.
1. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
1.1 Устройство и принцип действия
Полевой транзистор с управляющим р-n- переходом - это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала р-n-переходом, смещенным в обратном направлении.
Рисунок 1 Устройство полевого транзистора с управляющим р-n-переходом (каналом n- типа)
Рисунок 2 Условное обозначение полевого транзистора с р-n-переходом и каналом n- типа (а), каналом р- типа (б)
Каналом полевого транзистора называют область в полупроводнике, в которой ток основных носителей заряда регулируется изменением ее поперечного сечения.
Электрод (вывод), через который в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала за счет управляющего напряжения, называют затвором.
Как правило, выпускаются кремниевые полевые транзисторы. Кремний применяется потому, что ток затвора, т.е. обратный ток р-n- перехода, получается во много раз меньше, чем у германия.
Условные обозначения полевых транзисторов с каналом n- и р- типов приведены на рис. 2.
Полярность внешних напряжений, подводимых к транзистору, показана на рис. 1. Управляющее (входное) напряжение подается между затвором и истоком. Напряжение Uзи является обратным для обоих р-n- переходов. Ширина р-n- переходов, а, следовательно, эффективная площадь поперечного сечения канала, его сопротивление и ток в канале зависят от этого напряжения. С его ростом расширяются р-n- переходы, уменьшается площадь сечения токопроводящего канала, увеличивается его сопротивление, а, следовательно, уменьшается ток в канале. Следовательно, если между истоком и стоком включить источник напряжения Uси, то силой тока стока Iс, протекающего через канал, можно управлять путем изменения сопротивления (сечения) канала с помощью напряжения, подаваемого на затвор. На этом принципе и основана работа полевого транзистора с управляющим р-n- переходом.
При напряжении Uзи = 0 сечение канала наибольшее, его сопротивление наименьшее и ток Iс получается наибольшим.
Ток стока Iс нач при Uзи = 0 называют начальным током стока.
Напряжение Uзи, при котором канал полностью перекрывается, а ток стока Iс становится весьма малым (десятые доли микроампер), называют напряжением отсечки Uзиотс.
1.2 Статические характеристики полевого транзистора с управляющим р-n- переходом
Рассмотрим вольт - амперные характеристики полевых транзисторов с р-n- переходом. Для этих транзисторов представляют интерес два вида вольт - амперных характеристик: стоковые и стоко - затворные.
Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с р-n- переходом и каналом n- типа показаны на рис. 3, а. Они отражают зависимость тока стока от напряжения Uси при фиксированном напряжении Uзи: Ic= f(Uси) при Uзи = const.
а) б)
Рисунок 3 Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с р-п- переходом и каналом п- типа: а - стоковые (выходные); б - стоко - затворная
Особенностью полевого транзистора является то, что на проводимость канала оказывает влияние как управляющее напряжение Uзи, так и напряжение Uси. При Uси = 0 выходной ток Iс = 0. При Uси > 0 (Uзи = 0) через канал протекает ток Ic, в результате чего создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока. Суммарное падение напряжения участка исток-сток равно Uси. Повышение напряжения Uси вызывает увеличение падения напряжения в канале и уменьшение его сечения, а следовательно, уменьшение проводимости канала. При некотором напряжении Uси происходит сужение канала, при котором границы обоих р-n- переходов смыкаются и сопротивление канала становится высоким. Такое напряжение Uси называют напряжением перекрытия или напряжением насыщения Uсинас. При подаче на затвор обратного напряжения Uзи происходит дополнительное сужение канала, и его перекрытие наступает при меньшем значении напряжения Uсинас. В рабочем режиме используются пологие (линейные) участки выходных характеристик.
Стоко - затворная характеристика полевого транзистора показывает зависимость тока Iс от напряжения Uзи при фиксированном напряжении Uси: Ic= f(Uси) при Uси = const (рис. 3, б).
1.3 Основные параметры
· максимальный ток стока Iсmax (при Uзи = 0);
· максимальное напряжение сток-исток Uсиmax;
· напряжение отсечки Uзиотс;
· внутреннее (выходное) сопротивление ri ? представляет собой сопротивление транзистора между стоком и истоком (сопротивление канала) для переменного тока:
при Uзи = const;
· крутизна стоко-затворной характеристики:
при Uси = const, отображает влияние напряжение затвора на выходной ток транзистора;
· входное сопротивление при Uси = const транзистора определяется сопротивлением р-n- переходов, смещенных в обратном направлении. Входное сопротивление полевых транзисторов с р-n- переходом довольно велико (достигает единиц и десятков мегаом), что выгодно отличает их от биполярных транзисторов.
2. Полевой транзистор с изолированным затвором
2.1 Устройство и принцип действия
Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП - транзистор) - это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.
МДП - транзисторы (структура: металл-диэлектрик-полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO2. отсюда другое название этих транзисторов - МОП - транзисторы (структура: металл-окисел-полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (1012 … 1014Ом).
Принцип действия МДП - транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП - транзисторы выполняют двух типов - со встроенным и с индуцированным каналом.
Рассмотрим особенности МДП - транзисторов со встроенным каналом. Конструкция такого транзистора с каналом n-типа показана на рис. 4, а. В исходной пластинке кремния р- типа с относительно высоким удельным сопротивлением, которую называют подложкой, с помощью диффузионной технологии созданы две сильнолегированные области с противоположным типом электропроводности - n. На эти области нанесены металлические электроды - исток и сток. Между истоком и стоком имеется тонкий приповерхностный канал с электропроводностью n- типа. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод - затвор. Наличие слоя диэлектрика позволяет в таком полевом транзисторе подавать на затвор управляющее напряжение обеих полярностей.
Рисунок 4 Конструкция МДП - транзистора со встроенным каналом n- типа (а); семейство его стоковых характеристик (б); стоко-затворная характеристика (в)
При подаче на затвор положительного напряжения, электрическим полем, которое при этом создается, дырки из канала будут выталкиваться в подложку, а электроны вытягиваться из подложки в канал. Канал обогащается основными носителями заряда - электронами, его проводимость увеличивается и ток стока возрастает. Этот режим называют режимом обогащения.
При подаче на затвор напряжения, отрицательного относительно истока, в канале создается электрическое поле, под влиянием которого электроны выталкиваются из канала в подложку, а дырки втягиваются из подложки в канал. Канал обедняется основными носителями заряда, его проводимость уменьшается и ток стока уменьшается. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.
В таких транзисторах при Uзи = 0, если приложить напряжение между стоком и истоком (Uси > 0), протекает ток стока Iснач, называемый начальным и, представляющий собой поток электронов.
Конструкция МДП - транзистора с индуцированным каналом n- типа показана на рис. 5, а
Рисунок 5 Конструкция МДП - транзистора с индуцированным каналом n-типа (а); семейство его стоковых характеристик (б); стоко-затворная характеристика (в)
Канал проводимости тока здесь специально не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины (подложки) в случае приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока. При отсутствии этого напряжения канала нет, между истоком и стоком n-типа расположен только кристалл р- типа и на одном из р-n- переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между истоком и стоком очень велико, т.е. транзистор заперт. Но если подать на затвор положительное напряжение, то под влиянием поля затвора электроны будут перемещаться из областей истока и стока и из р- области (подложки) по направлению к затвору. Когда напряжение затвора превысит некоторое отпирающее, или пороговое, значение Uзи пор, то в приповерхностном слое концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и в этом слое произойдет инверсия типа электропроводности, т.е. индуцируется токопроводящий канал n-типа, соединяющий области истока и стока, и транзистор начинает проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока. Таким образом, транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения.
Условное обозначения МДП - транзисторов приведены на рис. 6
Рисунок 6 Условное обозначение МДП - транзисторов: а ? со встроенным каналом n- типа; б ? со встроенным каналом р- типа; в ? с выводом от подложки; г ? с индуцированным каналом n- типа; д ? с индуцированным каналом р- типа; е ? с выводом от подложки
2.2 Статические характеристики МДП - транзисторов
Стоковые (выходное) характеристики полевого транзистора со встроенным каналом n- типа Ic= f(Uси) показаны на рис. 4, б.