Эрл Гейтс - Введение в электронику

• Описать меры предосторожности, которые необходимо соблюдать при работе с полевыми транзисторами с изолированным затвором.

• Описать процедуру проверки полевых транзисторов с р-n -переходом и полевых транзисторов с изолированным затвором с помощью омметра.

История полевых транзисторов начинается с 1925 года, когда Юлиус Лилленфелд изобрел полевой транзистор ( р-n -переходом и полевой транзистор с изолированным затвором. Оба этих устройства доминируют в настоящее время в электронной технологии. Эта глава является введением в теорию полевых транзисторов с р-n-переходом и полевых транзисторов с изолированным затвором.

Полевой транзистор с р-n -переходом — это униполярный транзистор, в котором работают только основные носители.

Полевой транзистор с р-n -переходом — это устройство, управляемое напряжением. Полевые транзисторы с р-n -переходом состоят из полупроводниковых материалов n - и p -типа и способны усиливать электронные сигналы, а конструкция отличается от конструкции биполярных транзисторов, и их работа основана на других принципах. Знание конструкции полевых транзисторов с р-n -переходом помогает понять, как они работают.

Конструкция полевых транзисторов с р-n -переходом начинается с подложки, или базы, слабо легированного полупроводникового материала. Подложкаможет быть из материала n - или p -типа. р-n -переход в подложке изготовляется как методом диффузии, так и методом выращивания (см. главу 20 ). Форма р-n -перехода играет важную роль. На рис. 23-1 показано сечение встроенной области в подложке. U-образная область называется каналом, она утоплена по отношению к верхней поверхности подложки.

Рис. 23-1. Сечение полевого транзистора с р-n-переходом и каналом n-типа.

Когда канал сделан из материала n -типа в подложке из материала p -типа образуется полевой транзистор с каналом n-типа . Когда канал сделан из материала p -типа в подложке из материала n -типа образуется полевой транзистор с каналом р-типа .

Полевой транзистор с р-n -переходом имеет три вывода (рис. 23-2). Один вывод соединен с подложкой и образует затвор (3). Выводы, соединенные с концами канала образуют исток (И) и сток (С). Неважно какой из выводов соединен со стоком, а какой с истоком, так как канал симметричен.

Рис. 23-2. Подсоединение выводов полевого транзистора с р-n-переходом и каналом n-типа.

Работа полевых транзисторов с р-n -переходом требует двух внешних источников смещения. Один из источников ( Е СИ) подсоединяется между стоком и истоком, заставляя ток течь через канал. Другой источник ( Е ЗИ) подсоединяется между затвором и истоком. Он управляет величиной тока, протекающего через канал. На рис. 23-3 показан правильно смещенный полевой транзистор с каналом n -типа.

Источник тока Е СИподсоединяется таким образом, чтобы на истоке был отрицательный потенциал по отношению к стоку. Это обусловливает ток через канал, так как основными носителями в материале n -типа являются электроны. Ток, текущий от истока к стоку, называется током стока полевого транзистора ( I C). Канал служит сопротивлением для приложенного напряжения ( Е СИ).

Напряжение затвор-исток ( Е ЗИ) подается таким образом, чтобы затвор имел отрицательный потенциал по отношению к истоку. Это обусловливает формирование обратно смещенного р-n -перехода между затвором и каналом и создает обедненный слой в окрестности р-n -перехода, который распространяется вдоль всей длины канала. Обедненный слой шире у стока, так как напряжение Е СИскладывается с напряжением Е ЗИ, создавая более высокое напряжение обратного смещения, чем у истока.

Рис. 23-3. Правильно смещенный полевой транзистор с р-n-переходом и каналом n-типа.

Размером обедненного слоя управляет напряжение Е ЗИ. При увеличении Е ЗИтолщина обедненного слоя увеличивается. При уменьшении толщина обедненного слоя уменьшается. При увеличении толщины обедненного слоя резко уменьшается толщина канала, и, следовательно, уменьшается величина тока, проходящего через него. Таким образом, Е ЗИможно использовать для управления током стока ( I C), который протекает через канал. Увеличение Е ЗИуменьшает I C.

При обычной работе входное напряжение прикладывается между затвором и истоком. Результирующим выходным током является ток стока ( I C). В полевом транзисторе с р-n -переходом входное напряжение используется для управления выходным током. В обычном транзисторе входной ток, а не напряжение используется для управления выходным током.

Поскольку переход затвор-исток смещен в обратном направлении, полевой транзистор с р-n -переходом имеет очень высокое входное сопротивление. Если переход затвор-исток сместить в прямом направлении, через канал потечет большой ток, что послужит причиной падения входного сопротивления и уменьшения усиления транзистора. Величина напряжения, требуемого для уменьшения I Сдо нуля, называется напряжением отсечки затвор-исток ( Е ЗИотс). Это значение указывается производителем транзистора.

Напряжение сток-исток ( Е СИ) управляет размером обедненного слоя в полевых транзисторах с р-n -переходом. При увеличении Е СИ, увеличивается также I С. При некотором значении Е СИвеличина I Сперестает расти, достигая насыщения при дальнейшем увеличении Е СИ. Причиной этого является увеличившийся размер обедненного слоя, и значительное уменьшение в канале неосновных носителей. С увеличением Е СИувеличивается, с другой стороны, сопротивление канала, что также приводит к меньшей скорости увеличения I С. Однако рост тока I Сограничивается вследствие расширения обедненного слоя и уменьшения ширины канала. Когда это имеет место, говорят, что I Сдостиг насыщения. Значение Е СИ, при котором I Сдостигает насыщения , называется напряжением насыщения ( Е Н). Величина Е Нобычно указывается производителем при значении Е ЗИ, равном нулю. При Е ЗИ, равном нулю, величина Е Нблизка к Е ЗИотс. Когда Е Нравно Е ЗИ, ток стока является насыщенным.

Полевые транзисторы с p -каналом и с n -каналом имеют одинаковые характеристики. Основное различие между ними — в направлении тока стока ( I С) через канал. В полевом транзисторе с p -каналом полярность напряжений смещения ( Е ЗИ, Е СИ) противоположна полярностям этих напряжений для транзистора с каналом n -типа.