Электротехника и электроника

1.

ЛЕКЦИЯ № 5
по дисциплине “ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И
ЭЛЕКТРОНИКА “
Раздел 2. Электроника
Тема 2.1. Физические основы электроники.
ЗАНЯТИЕ № __: Полевые транзисторы: принцип
работы, характеристика.

2. Учебные вопросы:

1. Устройство,
принцип
и
система
классификация
обозначений.
2. Работа полевого транзистора.
3. Статический режим работы
параметры.
действия,
условных
и
его
Литература:
1.
Электротехника и электроника: учебник для студ.учреждений сред.
проф.образования / М.В. Немцов, М. Л. Немцова. - 3-е изд.,испр. - М,
Академия, 2018. – Стр. 499-501.

3.

Вопрос 1. Устройство, принцип действия, классификация и
система условных обозначений.
Полевым
транзистором
(ПТ)
называется
полупроводниковый прибор с тремя и более выводами,
усилительные свойства которого обусловлены процессами
токопрохождения
основных
носителей
заряда
в
полупроводниках
под
воздействием
управляющего
электрического поля.
Полевой транзистор (ПТ) - полупроводниковый прибор, в котором
ток изменяется в результате действия перпендикулярного току
электрического поля, создаваемого входным сигналом.
Поскольку работа ПТ основана на движении только основных
носителей заряда (электронов или дырок), их также называют
униполярными транзисторами (в отличие от биполярных транзисторов).

4.

История создания ПТ
Рисунок 1 - Лилиенфельд Юлий
Эдгар (1882 - 1963),
изобретатель полевого
транзистора
Идея ПТ с изолированным затвором была
предложена австро-венгерским физиком Ю.Э.
Лилиенфельдом в 1926—1928 года. Он
запатентовал принцип работы ПТ, который
основан на электростатическом эффекте поля.
Полевые транзисторы намного опередили
биполярные, может быть из-за более простого
принципа их работы.
Патент на устройство, аналогичное
униполярному
ПТ
с
изолированным
затвором, был получен английским учёным
Оскаром. Хейлом в 1939 году, задолго до
появления биполярного транзистора. В 1952
году У. Шокли дал теоретическое описание
униполярного полевого транзистора, который
впоследствии получил название полевого
транзистора с управляющим p-n переходом.

5.

В 1960 году М. Аталла и Д. Кант предложили использовать структуру
«металл – диэлектрик (окисел) – полупроводник» (МДП или МОП
сокращенно). В ней проводимость поверхностного канала изменялась в
полупроводнике под действием напряжения, приложенного к
металлическому электроду, изолированному тонким слоем окисла
полупроводника.
Основа полевого транзистора – это созданный в полупроводнике и
снабжённый двумя выводами канал с электропроводностью n - или p типа. Поскольку ток канала обусловлен носителями только одного знака,
ПТ относят к классу униполярных транзисторов.

6.

Сопротивлением канала управляет третий электрод. Он помещается
посредине, рисунок 2.
Рисунок 2 –Устройство ПТ с управляющим р-п переходом
Электрод, от которого начинается движение носителей заряда, называют
истоком.
Электрод, на который подаётся управляющий электрический сигнал,
называется затвором.
Электрод, к которому движутся носители заряда, называется стоком.

7.

Проводящий канал - это область в полупроводнике, в которой
регулируется поток носителей заряда. В связи с тем, что управление
током в выходной цепи осуществляется входным напряжением
(аналогично электровакуумным приборам) и входные токи ПТ
чрезвычайно малы, параметры и характеристики полевых транзисторов
существенно отличаются от характеристик биполярных транзисторов.
В идеальном случае эффект управления током достигается без
потери энергии (входной ток почти равен нулю).

8.

Полевые транзисторы обладают следующими преимуществами по
сравнению с биполярными:
- высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте,
отсюда и малые потери на управление;
- высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания
неосновных носителей);
- почти полная электрическая развязка входных и выходных цепей, малая
проходная ёмкость, что обеспечивает хорошие высокочастотные свойства ПТ;
- высокая температурная стабильность;
- малый уровень шумов.

9.

Классификация ПТ
В зависимости от того, как затвор изолируется от канала, различают
два типа полевых транзисторов:
- ПТ с управляющим p-n переходом и барьером Шоттки;
- ПТ с изолированным затвором и структурой металл - диэлектрик полупроводник (МДП - транзистор). Иногда его называют МОП - транзистором
(металл - окисел - полупроводник).
Рисунок 3. Классификация ПТ

10.

В свою очередь ПТ с изолированным затвором подразделяются на:
- с индуцированным каналом (обогащённого типа);
- co встроенным каналом (обеднённого типа).
Рисунок 4. Классификация основных типов ПТ

11.

Iс
Сток
n
Затвор
p
- Uзи +
к
а
н
а
л
Исток
Область объемного
заряда
( запирающий слой )
p
- Ucи +
Рис.3 Устройство
принцип
действия
Рисунок
5. Устройство иипринцип
действия
ПТ с управляющим
полевого транзистора
pn– переходомсиуправляющим
каналом n- типа
pn-переходом и каналом n-типа

12.

Iс
затвор
исток
n
+
Е
сток
n
Канал
Uзи
-
p
подложка
- Ucи +
Рисунок 6. Рис.4
Устройство
и принципидействия
МДП
транзистора с
Устройство
принцип
действия
индуцированным
каналом n- типа
МДП транзистора

13.

затвор
исток
n
- (+)
Uзи
+ (-)
Iс
сток
n
Е
Канал
p
подложка
- Ucи +
Рис.5 Устройство и принцип действия
Рисунок 7. УстройствоМ
иДП
принцип
действия МДП транзистора со
транзистора
встроенным каналом
n- типа
со встроенным
каналом
n-типа

14.

Вопрос 2. Транзисторы с управляющим p-n переходом
Полевой транзистор с управляющим p-n переходом —
это ПТ, затвор которого изолирован (то есть отделён в
электрическом отношении) от канала p-n переходом,
смещённым в обратном направлении.
Электропроводность канала может быть как n-, так и pтипа. Поэтому по электропроводности канала различают
полевые транзисторы с n-каналом и p-каналом. Все
полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды
транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.
Управление током стока, то есть током от внешнего
источника питания в цепи нагрузки, происходит при
изменении обратного напряжения на p-n переходе затвора.

15.

При изменении напряжения Uзи изменяется ширина его р-п перехода.
Тем самым изменяется сечение токопроводящего канала и его
проводимость, то есть ток стока прибора, рисунок 8,б и 8,в. Например, для
ПТ с каналом n-типа подача отрицательного напряжения на затвор
приводит к снижению тока через прибор.
Рисунок 8 - Устройство и работа ПТ с управляющим p-n переходом
и каналом n-типа: а - Uзи = 0 и Uси > 0; б - Uзи < 0и Uси > 0

16.

Таким образом, полевой транзистор
аналогичен вакуумному триоду.
по
принципу
действия
Исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода,
затвор — сетке, сток — аноду.
Но при этом полевой транзистор существенно отличается от
вакуумного триода:
Во-первых, для работы полевого транзистора не требуется подогрева
катода.
Во-вторых, любую из функций истока и стока может выполнять каждый
из этих электродов.
В-третьих, полевые транзисторы могут быть сделаны как с n-каналом,
так и с p-каналом, что позволяет удачно сочетать эти два типа полевых
транзисторов в схемах.
От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, вопервых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление
выходным сигналом производится входным током, а в полевом
транзисторе —входным напряжением или электрическим полем.

17.

Вопрос 2. Работа полевого транзистора.
Работа ПТ описывается двумя основными зависимостями:
- стоко-затворными (передаточными) характеристиками. Это
зависимость тока стока от напряжения между затвором и истоком Ic=f(Uзи)
при Uси = const ;
- стоковыми (выходными) характеристиками. Это зависимость тока
стока от напряжения между стоком и истоком Ic = f (Ucи) при Uзи = const ;
Рисунок 9 – Условные обозначения и характеристики ПТ с управляющим р-п переходом

18.

МДП-транзисторы
МДП-транзистор – это униполярный транзистор, имеющий один
или
несколько
металлических
затворов,
изолированных
от
полупроводникового канала слоем диэлектрика.
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 —1014 Ом).
МДП-транзисторы широко применяются в интегральном исполнении.
Микросхемы на МДП-транзисторах обладают хорошей технологичностью,
низкой стоимостью, способностью работы при более высоком напряжении
питания, чем микросхемы на биполярных транзисторах.
Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте
изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на
границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического
поля. При поверхностный слой полупроводника является токопроводящим
каналом этих транзисторов.

19.

МДП-транзисторы выполняют двух типов — со встроенным и с
индуцированным каналом.
МДП-транзисторы представляют собой в общем случае
четырехэлектродный прибор. Четвертым электродом (подложкой),
выполняющим вспомогательную функцию, является вывод от подложки
исходной полупроводниковой пластины.
МДП-транзисторы могут быть с каналом n- или p-типа.
Условные обозначения МДП-транзисторов показаны на рисунке 10.
Рисунок 10 - Условные обозначения МДП-транзисторов: а - со встроенным
каналом n-типа; б - p-типа; в - p-типа c выводом от подложки;
г - с индуцированным каналом n-типа; д - p-типа; е - p-типа с выводом от
подложки

20.

МДП-транзистор со встроенным каналом
Рассмотрим особенности МДП-транзисторов со встроенным каналом.
Конструкция такого транзистора с каналом n-типа показана на рисунке 11.
Рисунок 11 – МДП-транзистор со встроенным каналом n-типа

21.

В исходной пластине кремния p-типа с помощью диффузионной
технологии созданы области истока, стока и канала n-типа. Слой
окисла SiO2 толщиной менее 0,1 мкм выполняет функции защиты
поверхности, близлежащей к истоку и стоку, а также изоляции затвора от
канала. Вывод подложки (если он имеется) иногда присоединяют к истоку.
В случае приложения к затвору напряжения Uзи < 0 поле затвора
оказывает отталкивающее действие на электроны — носители заряда в
канале. Это приводит к уменьшению их концентрации в канале и
проводимости канала. Ток через транзистор уменьшается. Такой режим
работы транзистора, при котором происходит уменьшение концентрации
зарядов в канале, называют режимом обеднения.
При подаче на затвор напряжения Uзи > 0 поле затвора притягивает
электроны в канал из p-слоя полупроводниковой пластины. Концентрация
носителей заряда в канале увеличивается, что соответствует режиму
обогащения канала носителями. Проводимость канала возрастает,
ток Ic увеличивается.

22.

Рисунок 12 – Характеристики МДП со встроенным каналом

23.

МДП-транзистор с индуцированным каналом
В МДП -транзисторах с изолированным затвором и индуцированным
каналом при отсутствии напряжения на затворе ток между истоком и
стоком практически отсутствует.
Рисунок 13 – МДП-транзистор с индуцированным каналом n-типа

24.

Транзисторы с индуцированным каналом работают в режиме
обогащения. При подаче на затвор транзистора с индуцированным каналом
некоторого порогового напряжения Uзи.пор и более, совпадающего по
знаку с напряжением Uси , на поверхности полупроводника индуцируется
заряд
противоположного
знака,
то
есть
тип
проводимости
приповерхностного слоя полупроводника инвертируется и происходит
формирование проводящего канала, сопровождающегося ростом тока
стока.
Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с
индуцированным каналом n-типа близки по виду аналогичным
характеристикам транзистора со встроенным каналом. Отличие
заключается в том, что управление током транзистора осуществляется
напряжением одной полярности. Ток Iс равен нулю при Uзи=0, в то время
как в транзисторе со встроенным каналом для этого необходимо изменить
полярность напряжения на затворе относительно истока.

25.

МДП-транзисторы имеют лучшие показатели, чем транзисторы с p-n
переходом. Входное сопротивление у них составляет 1012—1014 Ом.
Значение межэлектродных емкостей не превышает 2 - 10 пФ.
Рисунок 14 – Характеристики МДП с индуцированным каналом

26.

Вопрос 3. Статический режим работы и его параметры.
Статическими характеристиками (СХ) называются
функциональные зависимости, описывающие взаимосвязь
токов и напряжений ПТ в статическом режиме.
В отличие от биполярных транзисторов (БТ), основными
характеристиками ПТ с УП являются входные, выходные
характеристики и характеристики прямой передачи, иначе
называемые затворными, стоковыми и сток-затворными
характеристиками соответственно.
Они представляются следующими функциональными
зависимостями:
Iз = f (Uзи) при Uси = const (входная или затворная СХ)
Ic = f (Ucи) при Uзи = const (выходная или стоковая СХ)
Ic = f (Uзи) при Uси = const (прямой передачи или сток-затворная СХ)

27.

Iс
Пологая
область
Uзи=0
Iс
Iс нач
Iс нач
Крутая
область
Uзи<0
Uси1> Uси2
Uси1
Uси
Uси пер=
=Uзи отс - Uзи
Uси пер=
=Uзи отс
а) Стоковые (выходные)
характеристики
Uзи
Uзи отс
0
б) Сток-затворные характеристики
(прямой передачи)
Рис.15 Общий вид статических характеристик полевых транзисторов
с управляющим pn-переходом и каналом n-типа

28.

Статические параметры
Для анализа устройств на основе ПТ аналитическим
методом его представляют в виде линейного активного
четырехполюсника
или
замещают
различными
эквивалентными схемами, приближенно отражающими его
реальные свойства.
В случае представления ПТ:
• линейным
четырехполюсником
его
свойства
описываются так называемыми внешними параметрами
(параметрами эквивалентного четырехполюсника);
• эквивалентной
схемой
говорят
о
внутренних
(физических) параметрах или параметрах эквивалентной
схемы. Значения внутренних и внешних параметров
взаимосвязаны и могут быть получены друг из друга путем
пересчета.

29.

Iвх
ПТ
Uвх
ПТ нелинейный
4 - полюсник
Iвых
Uвых
а ) В общем случае
Iвх
Uвх
ПТ нелинейный
4 - полюсник
Iвых
Uвых
б ) На относительно низких
частотах
dIвх
dUвх
ПТ линейный
4 - полюсник
dIвых
dUвых
в ) В бесконечно малой
окрестности рабочей точки
Рис.16 Замена полевого транзистора эквивалентным
четырехполюсником

30.

Y - система, описывается следующими уравнениями:
dIвх = y11 dUвх + y12 dUвых,
(4)
dIвых = y21 dUвх + y22 dUвых.
y11 = dIвх / dUвх при dUвых = 0 , т.е. Uвых = const ,
y12 = dIвх / dUвых при dUвх = 0 , т.е. Uвх= const ,
y21 = dIвых / dUвх при dUвых = 0 , т.е. Uвых = const ,
y22 = dIвых / dUвых
при dUвх = 0 , т.е. Uвх= const .
Физический смысл у-параметров:
y11 - входная проводимость [Cм] ,
y12 - проводимость обратной передачи (обратной связи) [Cм],
y21 - проводимость прямой передачи [Cм],
y22 - выходная проводимость [См].

31.

Крутизна S:
у21 = S,
Внутреннее (дифференциальное) сопротивление Ri:
Ri=1/y22 = Uвых / Iвых при Uвх= const.
Статического коэффициента передачи по напряжению
:
=y21/y22 = SRi = Uвых/ Uвх при Iвх= const.

32. Контрольные вопросы

1. Полевые транзисторы и их разновидности.
2. Принцип работы полевого транзистора с управляющим
р-п переходом.
3. Принцип работы полевого транзистора с изолированным
затвором.
4. Основные характеристики полевых транзисторов
(понятия начального тока стока, крутизны).
5. Схемы включения полевых транзисторов (с ОИ, ОС и
ОЗ).
6. Свойства и области применения усилительных каскадов
на полевых транзисторах.
7. Источник тока на полевом транзисторе.
8. Применение полевого транзистора в качестве
управляемого сопротивления.

33. Выводы по лекции:

1. Понятие ПТ объединяет класс полупроводниковых
приборов, которые по физическим эффектам, лежащим в
основе управления носителями заряда, можно разделить на две
группы: с управляющим p-n-переходом и с изолированным
затвором.
2. Основными
характеристиками
ПТ
являются
статические стоковые и сток-затворные характеристики.
его
3. ПТ
управляются
напряжением.
Поэтому
они
характеризуются
дифференциальными
параметрами,
аналогичными параметрам электронных ламп.