Различия полевых транзисторов и биполярных.

От биполярного транзистора и в том числе от однопереходного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением р-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора отделен от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в р-n-переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов. Значительным недостатком по сравнению с биполярным транзистором является очень низкий коэффициент усиления по напряжению.

Статические характеристики

Выходные статические характеристики полевого транзистора представляют собой зависимости тока стока от напряжения на стоке относительно истока при различных постоянных напряжениях на затворе. Рассмотрим вначале характер одной зависимости

при.

Напряжение на затворе относительно истока будет равно нулю только в том случае, если затвор закорочен с истоком. Характеристика выходит из начала координат под углом, соответствующим начальному статическому сопротивлению канала и сопротивлениям

иприлегающих к каналу областей полупроводникового кристалла с тем же типом электропроводности. Статическое сопротивление канала определяется его длиной и поперечным сечением, зависящим от толщины р-n-перехода (или р-n-переходов).

Рис. 6 Выходные статические характеристики

Первая часть характеристики, которую называют крутой частью, сублинейна, т. е. ток стока растет замедленно с ростом напряжения на стоке. Объясняется эта нелинейность характеристики увеличением толщины р-n-перехода затвора около стока, так как с увеличением напряжения на стоке растет по абсолютному значению обратное напряжение на р-n-переходе затвора. Ток стока, проходя по каналу, создает его неэквипотенциальность. Таким образом, наибольшая толщина р-n-перехода и соответственно наименьшее поперечное сечение канала получаются со стороны стока.

Другой физической причиной, приводящей к сублинейности выходной характеристики, является уменьшение подвижности носителей заряда в канале при увеличении в нем напряженности электрического поля.

При некотором напряжении на стоке —напряжении насыщения— происходит перекрытие канала из-за увеличения толщины р-n-перехода затвора. Ток стока при дальнейшем увеличении напряжения на стоке почти не растет.

При напряжении между затвором и истоком, равном нулю, и при напряжении на стоке, равном или превышающем напряжение насыщения, ток стока называют начальным током стока

. Часть характеристики, соответствующую насыщению тока стока, называютпологой областью. Следует учитывать условность понятия «перекрытие» канала при увеличении напряжения на стоке и неизменном напряжении на затворе относительно истока, так как перекрытие канала при указанных условиях является следствием увеличения тока стока. Таким образом, можно считать, что в результате увеличения тока стока или напряжения на стоке автоматически устанавливается некоторое малое сечение канала со стороны стокового электрода.

При дальнейшем увеличении напряжения на стоке увеличивается длина перекрытой части канала и растет статическое сопротивление канала. Если бы длина перекрытой части канала увеличивалась пропорционально напряжению на стоке, то ток стока не изменялся бы при напряжениях на стоке, превышающих напряжение насыщения. Однако длина перекрытой части канала увеличивается из-за увеличения толщины р-n-перехода с ростом напряжения на стоке, а толщина р-n-перехода пропорциональна либо корню квадратному, либо корню кубическому из напряжения. Поэтому в пологой части характеристики наблюдается некоторое увеличение тока стока при увеличении напряжения на стоке.

Теперь рассмотрим смещение и изменение статических характеристик с изменением напряжения на затворе. При подаче на затвор напряжения такой полярности относительно истока, которая соответствует обратному смещению р-n-перехода затвора, и при увеличении этого напряжения по абсолютному значению уменьшается начальное поперечное сечение канала. Поэтому начальные участки выходных статических характеристик при напряжениях на затворе, отличных от нуля, имеют другой наклон, соответствующий большим начальным статическим сопротивлениям канала.

При больших напряжениях на стоке может возникнуть пробой p-n-перехода затвора. Обратное напряжение на р-n-переходе затвора изменяется вдоль длины канала, достигая максимального значения у стокового конца канала. Напряжение, приложенное к р-n-переходу затвора в этом месте, является суммой напряжений на стоке и на затворе. Таким образом, пробой полевого транзистора может происходить при разных напряжениях на стоке в зависимости от напряжения на затворе. Чем больше напряжение на затворе, тем меньше напряжение на стоке, при котором произойдет пробой р-n-перехода затвора. Полевые транзисторы делают обычно на основе кремния. Поэтому пробой таких транзисторов имеет лавинный характер.

Статические характеристики передачи(рис. 7) полевого транзистора представляют собой зависимости тока стока от напряжения на затворе при различных постоянных напряжениях на стоке (). Так как основным рабочим режимом полевых транзисторов является режим насыщения тока стока, что соответствует пологим частям выходных статических характеристик, то наибольший интерес представляет зависимость тока насыщения от напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке.

Рис. 7 Передаточная характеристика

Напряжение между затвором и истоком полевого транзистора с управляющим переходом, при котором ток стока достигает заданного низкого значения, называют напряжением отсечки полевого транзистора которое зависит от концентрации доноров в канале и акцепторов в затворе, а также технологической толщины канала.

При рассмотрении статических характеристик полевого транзистора были отмечены его основные статические параметры. По статической характеристике передачи можно определить еще один основной параметр полевого транзистора, характеризующий его усилительные свойства, — крутизну характеристики полевого транзистора S, которая представляет собой отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком:

.

С ростом отрицательного напряжения на затворе значение крутизны характеристики транзистора будет уменьшаться, т.к. при увеличении отрицательного напряжения на затворе будет увеличиваться ОПЗ перехода затвора и уменьшаться толщина проводящего канала. Вблизи напряжения отсечки толщина канала вместе с током стока уменьшается до нуля, сопротивление канала возрастает и крутизна падает до нуля.

Влияние степени легирования и размера областей на напряжение отсечки и крутизну:

Напряжение отсечки будет расти с ростом степени легирования канала транзистора, потому что чем больше число доноров в ОПЗ, тем труднее удалить из канала подвижные электроны. Аналогично с толщиной, необходимо большее напряжение, чтоб удалить все электроны в подложку из толстого канала. Увеличение ширины канала и степени легирования приведёт к росту крутизны транзистора, потому что при прочих равных условиях, рост числа электронов и размеров области приведёт к уменьшению сопротивления и, следовательно, обеспечит больший ток стока при том же напряжении на затворе. Следовательно, крутизна увеличится. Существенно, что толщина канала одинаково увеличивает крутизну и напряжение отсечки. Ширина канала увеличивает только крутизну, но не влияет на напряжение отсечки.

Различия полевых транзисторов и биполярных.

От биполярного транзистора и в том числе от однопереходного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением р-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора отделен от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в р-n-переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов. Значительным недостатком по сравнению с биполярным транзистором является очень низкий коэффициент усиления по напряжению.

Статические характеристики

Выходные статические характеристики полевого транзистора представляют собой зависимости тока стока от напряжения на стоке относительно истока при различных постоянных напряжениях на затворе. Рассмотрим вначале характер одной зависимости

при.

Напряжение на затворе относительно истока будет равно нулю только в том случае, если затвор закорочен с истоком. Характеристика выходит из начала координат под углом, соответствующим начальному статическому сопротивлению канала и сопротивлениям иприлегающих к каналу областей полупроводникового кристалла с тем же типом электропроводности. Статическое сопротивление канала определяется его длиной и поперечным сечением, зависящим от толщины р-n-перехода (или р-n-переходов).

Рис. 6 Выходные статические характеристики

Первая часть характеристики, которую называют крутой частью, сублинейна, т. е. ток стока растет замедленно с ростом напряжения на стоке. Объясняется эта нелинейность характеристики увеличением толщины р-n-перехода затвора около стока, так как с увеличением напряжения на стоке растет по абсолютному значению обратное напряжение на р-n-переходе затвора. Ток стока, проходя по каналу, создает его неэквипотенциальность. Таким образом, наибольшая толщина р-n-перехода и соответственно наименьшее поперечное сечение канала получаются со стороны стока.

Другой физической причиной, приводящей к сублинейности выходной характеристики, является уменьшение подвижности носителей заряда в канале при увеличении в нем напряженности электрического поля.

При некотором напряжении на стоке —напряжении насыщения— происходит перекрытие канала из-за увеличения толщины р-n-перехода затвора. Ток стока при дальнейшем увеличении напряжения на стоке почти не растет.

При напряжении между затвором и истоком, равном нулю, и при напряжении на стоке, равном или превышающем напряжение насыщения, ток стока называют начальным током стока. Часть характеристики, соответствующую насыщению тока стока, называютпологой областью. Следует учитывать условность понятия «перекрытие» канала при увеличении напряжения на стоке и неизменном напряжении на затворе относительно истока, так как перекрытие канала при указанных условиях является следствием увеличения тока стока. Таким образом, можно считать, что в результате увеличения тока стока или напряжения на стоке автоматически устанавливается некоторое малое сечение канала со стороны стокового электрода.

При дальнейшем увеличении напряжения на стоке увеличивается длина перекрытой части канала и растет статическое сопротивление канала. Если бы длина перекрытой части канала увеличивалась пропорционально напряжению на стоке, то ток стока не изменялся бы при напряжениях на стоке, превышающих напряжение насыщения. Однако длина перекрытой части канала увеличивается из-за увеличения толщины р-n-перехода с ростом напряжения на стоке, а толщина р-n-перехода пропорциональна либо корню квадратному, либо корню кубическому из напряжения. Поэтому в пологой части характеристики наблюдается некоторое увеличение тока стока при увеличении напряжения на стоке.

Теперь рассмотрим смещение и изменение статических характеристик с изменением напряжения на затворе. При подаче на затвор напряжения такой полярности относительно истока, которая соответствует обратному смещению р-n-перехода затвора, и при увеличении этого напряжения по абсолютному значению уменьшается начальное поперечное сечение канала. Поэтому начальные участки выходных статических характеристик при напряжениях на затворе, отличных от нуля, имеют другой наклон, соответствующий большим начальным статическим сопротивлениям канала.

При больших напряжениях на стоке может возникнуть пробой p-n-перехода затвора. Обратное напряжение на р-n-переходе затвора изменяется вдоль длины канала, достигая максимального значения у стокового конца канала. Напряжение, приложенное к р-n-переходу затвора в этом месте, является суммой напряжений на стоке и на затворе. Таким образом, пробой полевого транзистора может происходить при разных напряжениях на стоке в зависимости от напряжения на затворе. Чем больше напряжение на затворе, тем меньше напряжение на стоке, при котором произойдет пробой р-n-перехода затвора. Полевые транзисторы делают обычно на основе кремния. Поэтому пробой таких транзисторов имеет лавинный характер.

Статические характеристики передачи(рис. 7) полевого транзистора представляют собой зависимости тока стока от напряжения на затворе при различных постоянных напряжениях на стоке (). Так как основным рабочим режимом полевых транзисторов является режим насыщения тока стока, что соответствует пологим частям выходных статических характеристик, то наибольший интерес представляет зависимость тока насыщения от напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке.

Рис. 7 Передаточная характеристика

Напряжение между затвором и истоком полевого транзистора с управляющим переходом, при котором ток стока достигает заданного низкого значения, называют напряжением отсечки полевого транзистора которое зависит от концентрации доноров в канале и акцепторов в затворе, а также технологической толщины канала.

При рассмотрении статических характеристик полевого транзистора были отмечены его основные статические параметры. По статической характеристике передачи можно определить еще один основной параметр полевого транзистора, характеризующий его усилительные свойства, — крутизну характеристики полевого транзистора S, которая представляет собой отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком:

С ростом отрицательного напряжения на затворе значение крутизны характеристики транзистора будет уменьшаться, т.к. при увеличении отрицательного напряжения на затворе будет увеличиваться ОПЗ перехода затвора и уменьшаться толщина проводящего канала. Вблизи напряжения отсечки толщина канала вместе с током стока уменьшается до нуля, сопротивление канала возрастает и крутизна падает до нуля.

Влияние степени легирования и размера областей на напряжение отсечки и крутизну:

Напряжение отсечки будет расти с ростом степени легирования канала транзистора, потому что чем больше число доноров в ОПЗ, тем труднее удалить из канала подвижные электроны. Аналогично с толщиной, необходимо большее напряжение, чтоб удалить все электроны в подложку из толстого канала. Увеличение ширины канала и степени легирования приведёт к росту крутизны транзистора, потому что при прочих равных условиях, рост числа электронов и размеров области приведёт к уменьшению сопротивления и, следовательно, обеспечит больший ток стока при том же напряжении на затворе. Следовательно, крутизна увеличится. Существенно, что толщина канала одинаково увеличивает крутизну и напряжение отсечки. Ширина канала увеличивает только крутизну, но не влияет на напряжение отсечки.

Полевые и биполярные транзисторы

Содержание:

1. Биполярные транзисторы
2. Свойства полевых транзисторов
3. Видео

Среди полупроводниковых приборов существуют две большие группы, в состав которых входят полевые и биполярные транзисторы. Они широко используются в электронике и радиотехнике в качестве генераторов, усилителей и преобразователей электрических сигналов. Чтобы понять, в чем основное различие этих устройств, необходимо рассмотреть их более подробно.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы относятся к группе полупроводниковых приборов. Они имеют три вывода и два р-n-перехода. Принцип работы этих устройств позволяет использовать и положительные и отрицательные заряды, то есть, дырки и электроны. Управление током, протекающим через них, осуществляется специально выделенным управляющим током. Благодаря своим качествам, этот активный прибор получил широкое распространение.

Основой биполярных транзисторов являются трехслойные полупроводники, типа «р-n-р» и «n-р-n», а также р-n-переходы, в количестве двух. Каждый полупроводниковый слой соединяется с внешним выводом через невыпрямляющий металло-полупроводниковый контакт.

В качестве базы используется средний слой, подключенный к соответствующему выводу. Два крайних слоя также соединяются с выводами и называются эмиттером и коллектором. На схемах эмиттер обозначается стрелкой, которая показывает направление тока, проходящего через транзистор.

В различных приборах, носители электричества дырки и электроны выполняют собственные индивидуальные функции. Тип n-р-n транзисторов получил наибольшее распространение, по сравнению с р-n-р-типом, благодаря лучшим характеристикам и параметрам. Это связано с тем, что в n-р-n устройствах основная роль отводится электронам, обеспечивающим все электрические процессы. Их подвижность в 2-3 раза выше, чем у дырок, таким образом, они проявляют более высокую активность. Кроме того, свойства любого прибора улучшаются за счет того, что площадь перехода коллектора существенно превышает площадь перехода эмиттера.

В состав каждого биполярного транзистора входят два р-n-перехода. Поэтому, работоспособность таких приборов проверяется путем контроля сопротивления этих переходов во время подключения к ним прямого и обратного напряжения.

Нормальная работа n-р-n-прибора обеспечивается путем подачи на коллектор положительного напряжения. За счет этого, осуществляется открытие базового перехода. При появлении базового тока, возникает коллекторный ток. Если в базе возникает отрицательное напряжение, то в этом случае происходит закрытие транзистора.

Оптимальная работа р-n-р-устройств зависит от наличия на коллекторе отрицательного напряжения. С его помощью, базовый переход становится открытым. Закрытие транзистора производится при наличии положительного напряжения. Путем плавных изменений значений тока и напряжения, можно получить все необходимые выходные коллекторные характеристики. В схемах усилителей могут присутствовать режимы общей базы или общего эмиттера.

Свойства полевых транзисторов

К полевым транзисторам относятся устройства, в которых управление всеми процессами осуществляется действующим электрическим полем, направленным перпендикулярно току. Они еще носят название униполярных транзисторов. В своей конструкции эти приборы имеют три контакта, называемые истоком, стоком и затвором. Кроме этого, существует проводящий слой, называемый каналом, по которому происходит течение тока.

Устройства данного типа могут быть «р» или «n» канальными. Расположение и конфигурация каналов бывает вертикальное или горизонтальное, объемное или приповерхностное.

Среди приповерхностных каналов также происходит разделение. Они существуют в качестве инверсионных слоев или могут быть обогащенными и обедненными носителями. Все виды каналов формируются под влиянием внешнего электрического поля. В обедненных каналах присутствуют участки с однородными полупроводниками, которые отделяются от поверхности с помощью обедненного слоя. Приборы, имеющие приповерхностные каналы, структурно состоят из металла-диэлектрика-полупроводника. Они получили наименование МДП-транзисторов.

10.5. Сравнение полевых и биполярных транзисторов

Полевые и биполярные транзисторы выполняют одинаковые функции: работают в схеме или в качестве линейного усилителя, или в качестве ключа. Ниже (табл. 10.4) приводится краткое обобщающее сравнение этих двух типов транзисторов.

Таблица 10.4
Биполярные транзисторы	Полевые транзисторы
Управляемый физический процесс – инжекция неосновных носителей заряда: изменяется ток управления – изменяется поток инжектированных носителей заряда, что приводит к изменению выходного тока	Управляемый физический процесс – эффект поля, вызывающий изменение концентрации носителей заряда в канале: изменяется управляющее напряжение – изменяется проводимость канала, что приводит к изменению выходного тока
Выходной ток обеспечивается носителями обоих знаков (дырками и электронами)	Выходной ток обеспечивается основными носителями одного знака (или дырками, или электронами)
Прибор управляется током, так как на входе имеется прямосмещенный pn— переход и входное сопротивление мало	Прибор управляется напряжением; входное сопротивление очень большое, так как входная цепь от выходной изолирована обратносмещенным pn— переходом или слоем диэлектрика
При управлении от интегральных схем требуется дополнительное усиление тока	Возможно непосредственное управление от интегральных схем
Относительно небольшой коэффициент усиления по току	Очень большой коэффициент усиления по току
Необходимость специальных мер по повышению помехоустойчивости	Высокая помехоустойчивость
Низкая теплостойкость: с увеличением тока растет температура структуры, что приводит к большему увеличению тока	Высокая теплостойкость: рост температуры структуры приводит к увеличению сопротивления канала, и ток уменьшается
Высокая вероятность саморазогрева и вторичного пробоя	Низкая вероятность саморазогрева и вторичного пробоя
Высокая чувствительность к токовым перегрузкам	Низкая чувствительность к токовым перегрузкам
Необходимость выравнивания токов в параллельном соединении приборов	Равномерное распределение тока в параллельном соединении приборов

Проведенное сравнение показывает, что в дискретных электронных устройствах полевые транзисторы в ряде применений предпочтительнее биполярных. Во-первых, управляющая цепь полевых транзисторов потребляет ничтожную энергию, так как входное сопротивление этих приборов очень велико. Как правило, усиление мощности и тока в полевых транзисторах много больше, чем в биполярных. Во-вторых, вследствие того, что управляющая цепь изолирована от выходной цепи, значительно повышаются надежность работы и помехоустойчивость схем на полевых транзисторах. В-третьих, полевые транзисторы имеют низкий уровень собственных шумов, что связано с отсутствием инжекции и свойственных ей флюктуаций. Наконец, в-четвертых, полевые транзисторы, вообще говоря, обладают более высоким собственным быстродействием, так как в них нет инерционных процессов накопления и рассасывания носителей заряда.

Однако полевые транзисторы имеют и недостатки. Вследствие относительно высокого сопротивления канала в открытом состоянии падение напряжения на открытом полевом транзисторе заметно больше, чем падение напряжения на насыщенном биполярном транзисторе. Этот недостаток усугубляется еще и тем, что температурная зависимость сопротивления канала сильнее, чем зависимость от температуры напряжения насыщения биполярного транзистора.