Лабораторная работа Тема: Изучение полевого транзистора. В 1956 американским ученым Шокли, Браттейну и Бардину была присуждена высшая научная награда – Нобелевская премия по физике за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта. Но в течение всего времени, пока проводились эксперименты, которые привели к появлению первого транзистора, Шокли сохранял веру в то, что может быть создан более простой прибор, полевой транзистор. От появления идеи создания усилительного прибора на кристалле до ее осуществления прошло более 30 лет. Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал и управляемый электрическим полем. Канал – это область полупроводникового кристалла, в которой поток носителей заряда регулируется изменением ее поперечного сечения. Истоком называют электрод полевого транзистора, через который в канал втекают носители заряда. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод полевого транзистора, к которому прикладывается управляющее напряжение, называют затвором. Различают два типа полевых транзисторов: полевые транзисторы с управляющим p-n переходом; полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП – транзисторы). Главное достоинство полевых транзисторов – высокое входное сопротивление, которое может быть даже больше, чем у электронных ламп. 1. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом Полевой транзистор с управляющим p-n переходом имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещенных в обратном направлении (рис. 1). Полевой транзистор с управляющим p-n переходом – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала p-n переходом, смещенном в обратном направлении. Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и p-каналом, противоположны. Действие этого прибора основано на зависимости толщины p-n перехода от приложенного к нему напряжения. Поскольку запирающий слой почти полностью лишен подвижных носителей заряда, его проводимость мала как у собственного полупроводника. Ограничивая с одной из боковых сторон токопроводящий канал (образуемый примесным полупроводником пластины), запирающий слой тем самым определяет величину сечения этого канала (а, значит, и его сопротивление). Схема структуры Условные исток затвор сток обозначения с каналом n-типа с каналом р- типа p И- +С n канал (n-типа) p + UЗ С З И З- И Рис. 1. Простейший полевой транзистор с управляющим p-n переходом З С И Если подключить к каналу источник напряжения, то через пластинку полупроводника между омическими контактами потечет ток, величина которого зависит от приложенного напряжения и сопротивления канала. При подаче отрицательного напряжения на затвор запирающий слой расширяется, что приводит к сужению токопроводящего канала и к увеличению его сопротивления. Для обеспечения эффективного управления сечением канала управляющий p-n переход делают резко несимметричным, так, чтобы запирающий слой в основном располагался в толще полупроводниковой пластинки, имеющей относительно малую концентрацию основных носителей, т. е. nn<<pp. Поскольку управление сечением канала (и соответственно током канала Iк) производится с помощью обратно смещенного p-n перехода (участок затвор – исток), то входное сопротивление транзистора оказывается очень большим, что выгодно отличает этот полупроводниковый прибор от биполярного транзистора. Малый обратный ток управляющего p-n перехода к процессу управления отношения не имеет. Управление толщиной канала осуществляется напряжением UЗИ или, в конечном итоге, электрическим полем, возникающим в запирающем слое без осуществления инжекции носителей заряда. При прямом включении управляющего p-n перехода (UЗИ> 0) возникает большой прямой ток затвора и сопротивление участка затвор-исток резко уменьшается, поэтому такое включение полевого транзистора не применяют. Статические характеристики. Выходные (стоковые) статические характеристики полевого транзистора представляют собой зависимости тока стока от напряжения на стоке при различных постоянных напряжениях на затворе IC = f (UСИ) при UЗИ = const (рис. 2, а) и являются основным семейством характеристик полевого транзистора. Характеристики Стоко - затворные (входные) Стоковые (выходные) с каналом nтипа IC с каналом ртипа IC IC U1ЗИ = 0 U2ЗИ <U1ЗИ U3ЗИ <U2ЗИ UЗИ В -3 -2 UЗИ -1 0 0 1 2 UСИ 3 В рабочая область Рис.2. Статические стоковые (а) и стоко-затворные (б) характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом и каналом n-типа Рассмотрим кривую IC = f (UСИ) при UЗИ = 0. Характеристика выходит из начала координат под углом, соответствующим начальному статическому сопротивлению канала, определяемому его длиной и поперечным сечением, зависящим от толщины p-n перехода (или переходов). Вначале, при малых значениях напряжения UСИ ток IC увеличивается с ростом UСИ почти по линейному закону. Некоторое отклонение этого участка характеристики от прямолинейной зависимости объясняется сужением канала у стокового конца, где напряжение на переходе равно UЗИ+UСИ, и, как следствие, увеличением сопротивления канала. При дальнейшем увеличении напряжения UСИ наступает так называемый режим насыщения: рост тока IC с увеличением напряжения на стоке почти прекращается (пологий участок характеристики). Это происходит в результате дальнейшего сужения канала у стокового конца. При достаточно больших напряжениях на стоке канал стягивается в узкую полоску (горловину). Наступает своеобразное динамическое равновесие: увеличение напряжения UСИ и соответствующий рост тока IC вызывают дальнейшее сужение канала, что в свою очередь уменьшает ток, и наоборот. Напряжение на стоке, при котором наступает этот режим, называется напряжением насыщения UСИнас. При достаточно высоком напряжении UСИ наблюдается резкий рост тока IC, обусловленный пробоем p-n перехода у стокового конца канала, так как в этой части канала к переходу оказывается приложенным наибольшее суммарное обратное напряжение. При подаче на затвор отрицательного напряжения режим насыщения наступает при меньших значениях напряжения на стоке; меньше становится и ток стока IC, так как поперечное сечение канала уменьшается по всей длине; при меньших напряжениях UСИ наступает и пробой перехода. На рис. 2, б показана статическая стоко-затворная характеристика (характеристика передачи), представляющая собой зависимость тока стока от напряжения на затворе при различных постоянных напряжениях на стоке IC = f (UЗИ) при UСИ = const. Так как основным рабочим режимом полевых транзисторов является режим насыщения тока стока, что соответствует пологим участкам характеристик, то наибольший интерес представляет зависимость тока насыщения от напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке. Характер этой зависимости ясен из принципа действия полевого транзистора с управляющим p-n переходом. При изменении напряжения на стоке смещением характеристик можно практически пренебречь в связи с малым изменением тока стока в пологой части выходных статических характеристик (рис. 2, а). Напряжение между затвором и истоком полевого транзистора с управляющим p-n переходом, при котором ток стока достигает заданного низкого значения, называют напряжением отсечки полевого транзистора UЗИотс. Входная характеристика полевого транзистора представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики p-n перехода. Ток затвора (входной ток) зависит от напряжения между стоком и истоком. Наибольшей величины он достигает при коротком замыкании выводов стока и истока. При отрицательном напряжении UЗИ и в режиме холостого хода в цепях сток–исток и сток– затвор в цепи затвор-исток течет обратный ток IЗИо, а в цепи затвор-сток – обратный ток IЗСо. В любом из этих случаев обратный ток через переход очень мало зависит от напряжения UЗИ, что, как известно, характерно для обратной ветви характеристики p-n перехода. Это обстоятельство обусловливает очень высокое входное дифференциальное сопротивление прибора Rвх.диф. 2. Устройство, принцип действия, характеристики и параметры полевых транзисторов с изолированным затвором Аббревиатура МДП обозначает структуру металл-диэлектрик-полупроводник. Очень часто Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-транзистор) – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. Вкачестве диэлектрика используется окисел (в частности, двуокись кремния SiO2), поэтому в литературе нередко встречается термин МОП-транзистор (металл-окиселполупроводник). Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Структуры полевых транзисторов с изолированным затвором показаны на рис.3. Рис. 3. Структуры полевых транзисторов с изолированным затвором (p-каналом) а) с индуцированным каналом; б) со встроенным каналом В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением (то есть слаболегированного), который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным типом электропроводности. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Расстояние между сильнолегированными областями истока и стока может составлять всего несколько микрон. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO2, выращенный на поверхности кристалла кремния путем высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод – затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Существуют две разновидности МДП-транзисторов: со встроенным (собственным) и с индуцированным каналом. В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 3, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока (UЗИпор), которое называют пороговым напряжением. В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 3, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой (о том, что это такое - несколько позже) – канал, который соединяет исток со стоком. Изображенные на рис. 3 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность pтипа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с проводимостью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа. Устройство и принцип действия МДП-транзистора с индуцированным каналом. Кристаллическая пластинка слаболегированного кремния n- или p-типа, являющаяся основой для изготовления транзистора, называется подложкой. В теле подложки создаются две сильнолегированные области с противоположными типами электропроводности. Одна из этих областей используется как исток И, другая – как сток С. Электрод затвора З изолирован от полупроводниковой области тонким слоем двуокиси кремния. Исток, сток и подложка имеют омические контакты с соответствующими полупроводниковыми областями и снабжаются выводами (рис.4). Подложку обычно соединяют с истоком. Так как высоколегированные pобласти истока и стока с полупроводником образуют p-n переходы, то при любой полярности напряжения на стоке относительно истока один из этих p-n переходов оказывается включенным в обратном направлении и препятствует протеканию тока IС. Рис.4. Устройство МДП-транзистора с индуцированным (а) и встроенным каналом (б). Таким образом, в исходном состоянии токопроводящий канал между истоком и стоком в приборе отсутствует. При подаче отрицательного напряжения на затвор электрическое поле затвора через диэлектрик SiO2 проникает на некоторую глубину в приконтактный слой подложки, выталкивает из него основные носители заряда (электроны) и притягивает неосновные носители (дырки), то есть вызывает обеднение приконтактного слоя электронами проводимости и обогащение его дырками. При некотором отрицательном напряжении на затворе, называемом пороговым напряжением затвора UЗИпор, в приконтактном поверхностном слое подложки начинается смена типа электропроводности с электронной на дырочную (рис.5,а), при этом инверсный слой (индуцированный канал) и подложка разделяются обедненным слоем, который представляет собой не что иное, как запирающий слой обычного p-n перехода (рис. 3,б). При дальнейшем увеличении отрицательного напряжения на затворе в подложке индуцируется токопроводящий канал p-типа, соединяющий исток со стоком (рис.5,б). Смена одного типа проводимости на другую под действием сил электрического поля называют инверсией электропроводности. Увеличение отрицательного напряжения на затворе приводит к увеличению толщины канала и концентрации дырок в нем, что вызывает увеличение проводимости канала в целом. Рисунок . 5. МДП-транзистор с индуцированным каналом. а – пороговый режим; б – образование индуцированного канала Согласно этому принципу транзисторы с управляющим p-n переходом, у которых увеличение напряжения затвора приводит к сужению канала и его ликвидации, работают в режиме обеднения. Так как возникновение и увеличение проводимости канала связано с его обогащением подвижными носителями заряда (дырками), то считают, что транзисторы подобного тип работают в режиме обогащения. Задание. 1. Изучить теоретический материал 2. Ответить на контрольные вопросы Контрольные вопросы Какой прибор называют полевым транзистором? Устройство транзистора. Поясните принцип работы транзистора. Из каких материалов изготавливаются транзисторы? Сколько р-п-переходов имеет полевой транзистор? Чем отличаются транзисторы различных типов? Нарисуйте условные графические обозначения транзисторов различных типов. Запишите названия выводов на рисунке. 8. Какие приборы необходимы для снятия характеристик транзистора? 9. Нарисуйте стоко-затворные и стоковые характеристики транзистора. Расскажите о процессах, соответствующих характерным участкам ВАХ. 10. Перечислите основные параметры транзисторов. Охарактеризуйте каждый из них. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.