Электроника в вопросах и ответах - Хабловски И. - Страница 24

Существуют транзисторы типа МОП с несколько отличной структурой и другими эффектами, сопутствующими возникновению тока стока, называемые полевыми транзисторами с изолированным затвором, работающие на принципе обеднения носителей в канале, или транзисторы типа «нормально включенный». В зарубежной литературе они помимо обозначения MOS часто имеют обозначение MOST или IGFET. Название, связанное с обеднением, следует из того факта, что проводимость канала, не равная нулю для U_зи = 0, может быть уменьшена («обеднена»), когда (U_зи будет отрицательным. Положительные значения напряжения затвора увеличивают проводимость канала и ток стока.

Графически изображения обоих типов транзисторов представлены на рис. 4.18.

Рис. 4.18. Условные графические изображения полевых МОП транзисторов с изолированным затвором, обогащенного типа с р-каналом с подложкой, выведенной наружу, (а) и подложкой, не выведенной наружу, (б), с n-каналом (а) и обедненного типа с р-каналом (г)

Статическая характеристика МОП транзистора представляет собой зависимость тока стока I_с от напряжения сток — исток U_си при постоянном напряжении затвор — исток U_зи. Это выходная, или стоковая, характеристика. На рис. 4.19, а представлена такая характеристика для транзистора «нормально выключенного» типа.

Рис. 4.19. Статические выходные характеристики (стоковые) МОП транзистора типа:

_{а — «нормально выключенный»; б — «нормально включенный»}

Ток стока тем больше, чем больше напряжение между истоком и стоком, поскольку при этом увеличивается заряд свободных электронов в канале подложки. Зависимость тока стока от напряжения исток — сток U_си линейна до тех пор, пока напряжение U_си достаточно мало. Если оно сравнимо с напряжением затвор — исток и положительно, то вдоль канала наблюдается изменение электрического поля. Оно максимально вблизи истока и минимально вблизи стока. Зависимость тока стока от напряжения сток — исток становится нелинейной. При больших напряжениях U_си (U_си > U_зи) наступает насыщение тока стока. При дальнейшем росте U_си резко увеличивается ток (лавинный эффект). Это область пробоя.

Стоковая характеристика МОП-транзистора простирается также в область отрицательных напряжений между стоком и истоком, так как изменение полярности напряжения не вызывает существенных изменений в работе транзистора. Происходит это благодаря тому, что в МОП транзисторе в отличие от биполярного транзистора отсутствуют однонаправленные р-n переходы. Насыщения тока в области отрицательных U_си не наблюдается, поскольку в этом случае нет перехода через точку U_си = U_зи.

Характеристика МОП транзистора типа «нормально включенного» показана на рис. 4.19, б.

Статическая характеристика, представляющая зависимость тока стока от напряжения U_зи при напряжении U_си, взятом в качестве параметра, называется входной характеристикой (стоко-затворной характеристикой или характеристикой управления — прим. перев.). Примеры таких характеристик для транзисторов обоих типов представлены на рис. 4.20, а и б.

Рис. 4.20. Статические передаточные характеристики МОП транзистора типа:

_{а — «нормально выключенный»; б — «нормально включенный»}

Упрощенная конструкция униполярного транзистора с управляющим переходом показана на рис. 4.21. Канал n-типа охватывается кольцевой областью затвора p-типа, в результате чего между затвором и каналом образуется р-n переход. По обеим противоположным сторонам канала расположены металлические электроды истока и стока.

Рис. 4.21. Физическая структура полевого транзистора с р-n переходом (а) и его условное графическое изображение (б):

_{1 — исток (И); 2 — затвор p-типа (3); 3 — сток (С); 4 — канал n-типа}

Обычно транзистор работает с переходами, смещенными в обратном направлении. Это означает, что для конструкции, представленной на рисунке, напряжение U_з должно быть отрицательным относительно напряжений U_и и U_с. Основные носители зарядов обычно протекают от истока к стоку, поэтому напряжение U_с должно быть больше напряжения U_и. Например, U_зи = —1 В, U_си = +10 В. В канале под затвором возникает запирающий слой (рис. 4.22) р-n перехода, уменьшающий ширину канала, т. е. увеличивающий его сопротивление. Протекающий через канал ток стока зависит от площади поперечного сечения канала, не занятой запирающим слоем. Обычно затвор смещен в обратном направлении и запирающий слой расширяется (т. е. уменьшается ширина канала), если затвор становится более отрицательным. Ток стока убывает и в конце концов при напряжении затвора, когда запирающий слой захватывает весь канал, протекание тока от истока к стоку прекращается. Такое напряжение затвора называют напряжением отсечки и обозначают через U_отс (например, U_отс = —3 В).

Рис. 4.22. Запирающий слой в канале полевого транзистора с p-n переходом:

_{1 — канал; 2 — запирающие слои пространственного заряда}

Выходная стоковая характеристика полевого транзистора с переходом представляет собой зависимость тока стока I_с от напряжения сток — исток U_си при выбранном в качестве параметра U_отс (рис. 4.23, а). Из рис. видно, что при постоянном напряжении U_зи ток стока с увеличением напряжения U_си возрастает сначала линейно, транзистор ведет себя как сопротивление. При дальнейшем росте напряжения U_си ток I_с возрастает нелинейно и достигает точки перегиба («колено»), причем напряжение U_cи, при котором наблюдается перегиб, равно разности напряжений U_зи — U_отс (или иначе говоря, разности модулей значений U_отс  и U_зи). Дальнейшее увеличение напряжёния U_си вызывает изменение распределения потенциала в канале и появление сильного поля в области стока, поддерживающие постоянство тока I_с независимо от дальнейшего роста напряжения U_си. Область характеристики для напряжений превышающих напряжения, соответствующие точкам перегиба, называются областью насыщения или отсечки. Наибольший ток стока достигается при U_зи = 0, т. е. при коротком замыкании между затвором и истоком. Этот ток обозначается I_{с нас}. Стоковые характеристики полевых транзисторов с р-n переходом, так же как МОП-транзисторов, смещаются в область отрицательных напряжений U_зи, однако работа транзисторов этого типа при таких условиях невозможна из-за большого тока затвора.