1. Виды и типы транзисторов
На рис. 1 представлены основные разновидности дискретных транзисторов применяемых в современной технике.
Исторически первыми были полевые транзисторы с изолированным затвором, но получить сколько либо приемлемые характеристики в то время не представлялось возможным, в первую очередь из за несовершенства технологии очистки материалов и не понимания процессов происходящих в полупроводнике.
Далее, 20-е…30-е годы 20-говека, последовали работы над биполярными транзисторами, в германии их называли транзитронами, но из за всеобъемлющего проигрыша по параметрам вакуумным лампам, работы над этими приборами носили эпизодический не системный характер в течении трёх десятков лет.23 декабря 1947 года состоялась презентация действующего макета точечного транзистора.
В 1951 году был создан плоскостной транзистор, конструктивно представляющий собой монолитный кристалл полупроводника, и примерно в это же время появились первые транзисторы на основе кремния. Характеристики транзисторов быстро улучшались и вскоре они стали активно конкурировать с электронными радиолампами.
2.3 Физические основы работы биполярного транзистора.
Итак, биполярный транзистор представляет собой трёхслойную структуру с двумя p-n переходами, и выводами от каждой из трёх областей называемых эмиттером (Э), базой (Б) и коллектором (К). Рис. 2. Эти три области образуют два встречно включенных p-n перехода: база-эмиттер (Б-Э), коллектор-база (К-Б).
Расстояние между переходами (толщина базового слоя - базы) весьма мало – единицы мкм. Концентрация примесей в коллекторе и эмиттере значительно больше, чем в базе. Наибольшая концентрация примесей в эмиттере, это сделано для улучшения инжекции основных носителей через переход Б-Э в область базы при прямом смещении. В равновесном состоянии формируются потенциальные барьеры переходов, что соответствует запертому их состоянию. Не зависимо от полярности напряжения прикладываемого к коллектору и эмиттеру транзистора, ток в цепи будет определятся обратным током одного из запертых переходов, зачастую им пренебрегают в виду крайне малой величины.
Подача же на переход Б-Э прямого напряжения, а на К-Э обратного, переводит транзистор в активный режим работы, рис.3.
Когда переход Б-Э открывается (поле потенциального барьера перехода Б-Э гасится внешним полем источника UБЭ), из эмиттера начинается активная инжекция основных носителей заряда в базу, для транзисторов структуры n-p-n это электроны( голубые кружочки с «-»). Незначительная часть электронов (≈0,1…5%), в базе рекомбинируют с дырками и в результате возникает ток базы. В виду того, что толщина база мала и степень её легирования ниже чем у эмиттера, большая часть инжектированных электронов не рекомбинирует, а достигает границ перехода К-Б, для которого эти электроны являются не основными носителями, в результате чего сильно возросшее поле потенциального барьера (за счёт приложенного внешнего напряжения UКБ) перебрасывает большую часть электронов в область коллектора, через переход К-Б. Данный процесс называется экстракцией. Одновременно с этим, из коллектора в базу, протекает диффузионный ток дырок, называемый обратный ток коллектора IКо, величина которого пренебрежимо мала. Дырки диффундировавшие из коллектора в базу (красная стрелка), рекомбинируют с электронами инжектированными из эмиттера.
Иными словами появление прямого тока IБ базы не большой величины, вызывает протекание много большего тока обратно смещённого коллектора IК, т.е. если ток база это входной ток, а ток коллектора принять за выходной – получается, что транзистор усиливает входной ток.
При этом ток базы, коллектора и эмиттера связаны следующими соотношениями:
IЭ=IБ + IК (1.1)
IК= α* IЭ +IКо (1.2)
Где α–статический коэффициент передачи по тока эмиттера, всегда меньше 1 (типичное значение 0,9-0,999), т.к. ток коллектора всегда меньше тока эмиттера:
α = IК /IЭ (1.3)
β –статический коэффициент передачи (усиления) тока базы, в современных транзисторах достигает больших значений(9-999) т.к. ток базы во много раз меньше чем ток коллектора:
β = IК /IБ (1.4)
2.4 Режимы работы биполярного транзистора.
Как было сказано ранее, описанный режим работы транзистора является основным, и называется активным или усилительным. Всего же существуют четыре режима работы биполярного транзистора:
- активный режим, переход К-Б обратно смещённый, переход Б-Э прямо смещённый
- инверсный режим, переход К-Б смещён в прямом направлении, а Б-Э в обратном. Т.е. включение противоположно активному режиму, что и определило название. В этом режиме транзистор практически не обладает усилительными свойствам, так же значительно ухудшены параметры предельных величин, т.к. конструкция переходов не симметрична, области коллектора и эмиттера имеют разные концентрации примесей.
- режим насыщения – оба перехода смещены в прямом направлении, транзистор полностью открыт, через него протекает максимальный ток, ограниченный сопротивлением коллекторной цепи. Данный режим характерен для ключевых схем, и соответствует замкнутому состоянию ключа. Выход транзисторов из данного состояния занимает значительное время, что затягивает фронты и спады и приводит к увеличению потерь в импульсных устройствах. Поэтому разработчики стараются не вводить транзисторы в режим глубокого насыщения, особенно в схемах работающих на предельных, для конкретного транзистора, частотах.
- режим отсечки – оба перехода смещены в обратном направлении, ток через них определяется обратными токами и пренебрежимо мал. Используется в ключевых схемах и соответствует разомкнутому состоянию ключа.
2.5 Схемы включения биполярного транзистора.
В зависимости от того какой вывод является общим для входной и выходной цепи, различают три схемы включения транзисторов:
Схема с общей базой (ОБ) на примере которой рассматривались физические основы работы транзистора. При этом входной сигнал подается на выводы эмиттера и базы (вход эмиттер), а выходной снимается с выводов коллектора и базы (выход коллектор) рис. 4. Основные характеристики схемы:
o Усиление по току Ki< 1
o Усиление по напр.Ku=10…1000
o Усиление по мощн. Kp=10…1000
o Вх. сопротивл. Rвх=5…100Ом
o Вых. сопротивл. Rвых>100кОм
Данная схема применяется редко в виду нескольких недостатков:
o Низкое входное сопротивление
o Отсутствие усиления по току.
o Высокое выходное сопротивление
При этом она обладает и некоторыми преимуществами:
o Лучшие шумовые характеристики из за низкого входного сопротивления
o Лучшие частотные свойства, т.к. в схеме подавлен эффект Миллера, благодаря чему наблюдаться значительное увеличение граничной частоты усиления, по сравнению со схемой ОЭ.
o Не инвертирует фазу выходного сигнала относительно входного
o Большая температурная стабильность параметров
Это и определило сферу применение данных схем – антенные ВЧ и СВЧ усилители, где низкое входное сопротивление схемы (5…100Ом) хорошо согласуется с низким волновым сопротивлением антенно-фидерных систем (50…150Ом).
· Схема с общим коллектором, ОК, входной сигнал подается на выводы базы и коллектора (вход база), а выходной снимается с выводов эмиттера и коллектора (выход эмиттер) рис. 5.
Данная схема включения не обладает усилением по напряжению, так как выходное напряжение всегда меньше входного на величину падения напряжения (0,5…0,7В для кремниевых транзисторов) на открытом переходе Б-Э. Т.е. выходное напряжение как бы повторяет входное, что дало ещё одно имя данной схеме – эмиттерный повторитель. Основное преимущество данной схемы заключается в высоком входном и низком выходном сопротивлении. Входное сопротивление определяется величиной сопротивления резистора в цепи эмиттера, умноженной на коэффициент передачи тока базы:
Rвх = (Rэ + rэ) x (1 + β) (1.5)
Где rэ – активное сопротивление эмиттерного перехода rэ (Ом) = 25,6/Iэ (мА), имеет не значительную величину. Таким образом при использовании транзистора с β = 100, и резистором в цепи эмиттера Rэ = 1кОм, входное сопротивление транзистора будет составлять 100 кОм. Выходное сопротивление определяется по формуле :
Rвых = rэ +Rи / (1 + β) (1.6)
Из формулы следует, что выходное сопротивление равно сопротивлению Rэ делённом на коэффициент передачи по току, и для выше описанных условий
Rвых ~1000/100= 10 Ом
Столь высокое входное, и столь низкое выходное сопротивление, позволяют использовать эмиттерный повторитель для согласования сопротивления высокоомных источников сигнала с низкоомной нагрузкой, что нашло своё применение в усилителях мощности, стабилизаторах, микшерах…
Следует отметить что схема ОК так же как и ОБ, не инвертирует выходной сигнал по отношению к входному.
Основные характеристики схемы:
o Усиление по току Ki= 10…1000
o Усиление по напр. Ku< 1
o Усиление по мощн. Kp=10…1000
o Вх. сопротивл. Rвх>10 кОм
o Вых. сопротивл. Rвых=10…1000 Ом
Схема с общим эмиттером, ОЭ, входной сигнал подается на выводы базы и эмиттера (вход база), а выходной снимается с выводов эмиттера и коллектора (выход коллектор) рис. 6. Получила наибольшее распространение в виду усиления, как по току так и по напряжению. Одним из недостатков данной схемы, является эффект уменьшения коэффициента усиления с ростом частоты усиливаемого сигнала. Вызвано это так называемым эффектом Миллера – появление отрицательной обратной связи, через ёмкость перехода К-Б, в результате чего инвертированный сигнал с коллектора транзистора, поступает на базу, где вычитается из входного сигнала, тем самым уменьшая коэффициент усиления.
o Усиление по току Ki=10…100
o Усиление по напр. Ku=10…1000
o Усиление по мощн. Kp=102…105
o Вх. сопротивл. Rвх>10кОм
o Вых. сопротивл. Rвых>100Ом
Максимальный коэффициент усиления по мощности, усиление и по току и по напряжению, инвертирование фазы выходного сигнала по отношению к входному, низкое выходное и достаточно высокое входное сопротивление, определили широчайший круг применения данной схемы – усилители, генераторы, формирователи, смесители…
2.6 Статические характеристики биполярного транзистора.
Входные характеристики (рис. а) показывают зависимость тока базы (IБ) от напряжения между базой и эмиттером (UБЭ), при постоянном напряжение, приложенному к коллектору (UКЭ). Входные характеристики слабо зависят от напряжения на коллекторе, поэтому обычно приводят две зависимости (приводятся входные характеристики транзисторов при UКЭ = 0 и 5В).
Выходные характеристики (рис. 1.5, б) показывают зависимостьтока коллектора (IК) от напряжения между коллектором и эмиттером(UКЭ), при постоянном значении тока базы (IБ). Выходные характеристики приводятся для достаточно большого (5 и более) значенийтока базы (IБ1, IБ2, IБ3, и т. д.), различающихся на фиксированное значение ΔIБ.
Известные и неизвестные величины связываются коэффициентами, которые называются параметрам четырёх полюсника. Для расчёта усилителей применяются z (имеют размерность сопротивления), y (размерность проводимости) и h (смешанная размерность) параметры.
При расчёте усилителей с общим эмиттером наибольшее распространите получили h—параметры, связывающие токи с помощью системы линейных уравнений.
Следует отметить, что если изменение величины равно нулю, тоэта величина не изменяется т. е. h12 и h22 рассчитываются при постоянном значении тока базы (IБ = const) а h11 и h21 при постоянном значении напряжения на коллекторе (UКЭ = const). Физический смысл h–параметров следующий:
3. Полевые транзисторы
3.1 Физические основы работы полевого транзистора.
Полевой транзистор (ПТ) – полупроводниковый прибор, в котором регулирование тока осуществляется изменением проводимости проводящего канала с помощью поперечного электрического поля. В отличие от биполярного, ток полевого транзистора обусловлен потоком основных носителей.
Электроды полевого транзистора называют истоком (И), стоком (С) изатвором (З). Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком. От напряжения между затвором и истоком зависит проводимость канала, следовательно, и величина тока. Таким образом, полевой транзистор можнорассматривать как источник тока, управляемый напряжением затвор-исток. Если амплитуда изменения управляющего сигнала достаточно велика, сопротивление канала может изменяться в очень больших пределах. В этом случае полевой транзистор можно использовать в качестве электронного ключа.
По конструкции полевые транзисторы можно разбить на две группы:
· с управляющим затвором типа p-n перехода для использования в высокочастотных (до 12…18 ГГц) преобразовательных устройствах. Условное их обозначение на схемах приведено на рис.
· с изолированным затвором (слоем диэлектрика) для использования в устройствах, работающих с частотой до 1…2 ГГц. Их изготавливают или со встроенным каналом в виде МДП (металл – диэлектрик – полупроводник).В большинстве случаев диэлектриком является двуокись кремния SiO2, поэтому обычно используется название МОП-транзисторы (металл – окисел – полупроводник). В современных МОП-транзисторах для изготовления затвора часто используется поликристаллический кремний. Однако название МОП-транзистор используют и для таких приборов.
Проводимость канала полевого транзистора может быть электронной или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то его называют n-каналом. Каналы с дырочной проводимостью называют p-каналами. В МОП-транзисторах канал может быть обеднён носителями или обогащён ими. Таким образом, понятие «полевой транзистор» объединяет шесть различных видов полупроводниковых приборов.
МОП-транзисторы находят широкое применение в современной электронике. В ряде областей, в том числе в цифровой электронике, они почти полностью вытеснили биполярные транзисторы. Это объясняется следующими причинами:
1. Полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление и обеспечивают малое потребление энергии.
2. МОП-транзисторы занимают, на кристалле интегральной схемы, значительно меньшую площадь чем биполярные. Поэтому плотность компоновки элементов в МОП-интегральных схемах значительно выше.
3. В третьих, технологии производства интегральных схем на МОП-транзисторах требуют меньшего числа операций, чем технологии изготовления ИС на биполярных транзисторах.
3.2 Полевые транзисторы с управляющим p–n-переходом.
Структура полевого транзистора с каналом n-типа показана на рис.7а. На рис. 7б приведено его условное графическое обозначение.
Канал между стоком и истоком формируется из слабо обогащённого полупроводника n-типа. Две области затвора содержат сильно обогащённый полупроводник p-типа. Принцип действия полевого транзистора с управляющим p–n-переходом основан на изменении проводимости канала за счёт измененияего поперечного сечения.
Между стоком и истоком включается напряжение такой полярности, чтобы основные носители заряда (электроны в канале n-типа) перемещались от истока к стоку. Между затвором и истоком включено отрицательное управляющее напряжение, которое запирает p–n-переход. Чем больше это напряжение, тем шире запирающий слой и уже канал. С уменьшением поперечного сечения канала его сопротивление увеличивается, а ток в цепи сток – исток уменьшается. Это позволяет управлять током стока с помощью напряжения затвор-исток Uзи. При некоторой величине напряжения затвор-исток запирающий слой полностью перекрывает канал, что приводит к уменьшению проводимости канала. Напряжение Uзи , при котором перекрывается канал, называют напряжением отсечки и обозначают Uотс . Для n-канального полевого транзистора напряжение отсечки отрицательно.
В упрощённом варианте работу полевого транзистора можно объяснить так рис.8: при отсутствии напряжения на затворе, канал соединяющий сток и исток, пропускает ток. При подаче напряжения, обеспечивающего обратное смещение управляющего p-n перехода, зона без основных носителей заряда (ОПЗ – область пространственного заряда) расширяется, в сторону зоны проводимости уменьшая последнюю, что эквивалентно уменьшению площади поперечного сечения проводника (канала) между истоком и стоком. Уменьшение сечения приводит к росту сопротивления, что ведёт к уменьшению тока через канал, при условии что напряжение, приложенное к каналу, неизменно. При дальнейшем увеличении напряжения на затворе происходит полное перекрытие канала зоной без основных носителей, что означает полное прекращение тока стока, или закрытие канала полевого транзистора. УГО полевых транзисторов с управляющим p-n переходом показано на рисунке 9.
Ниже, на рис. 10, приведены характеристики n-канального полевого транзистора с управляющим переходом.
Рис 10а – выходная характеристика, показывающая зависимость изменения тока стока IС от напряжения сток-исток UСИ при различных значениях напряжения на затворе UЗИ.
Рис 10б – переходная характеристика, показывающая зависимость изменения тока стока IС от напряжения управляющего (входного) затвор-исток UЗИ при постоянной величине напряжения UСИ.
На выходной характеристики можно выделить три области, рассмотрим для UЗИ =0:
1. Линейная – участок между точками АБ и БВ, на этих участках наблюдается сильная, близкая к линейной, зависимость тока стока IС от напряжения затвор-исток UСИ. Пунктиром АВ показана область линейной работы транзистора при различных значениях UЗИ. Таким образом, в линейной области полевой транзистор можно использовать как резистор, сопротивление которого регулируется напряжением затвора.
2. Область насыщения– область, с напряжением UСИ больше чем в точке В, характеризующаяся малой зависимостью тока стока IС от напряжения сто-исток UСИ транзистора. В этой области ток остаётся практически неизменным в широком диапазоне напряжений сток-исток, что говорит об высоком динамическом (дифференциальном) сопротивлении транзистора на данном участке. На рисунке показано что при достаточно большом значении ΔUСивеличина ΔI’С имеет нt большое значение. Зато приращение тока стока ΔIС при изменении величина напряжения затвора на ΔUЗИ, будет очень значительным и практически линейным.
3. Область пробоя – участок насыщения с ростом напряжения, переходит в область лавинного пробоя за счёт ударной ионизации, лавинного нарастания количества свободных носителей канале транзистора, что сопровождается резким ростом тока IС.
Передаточная характеристика представленная на рис.10б, имеет следующие особенности:
1. При нулевом напряжении на затворе ток стока имеет максимальное значение, которое называют начальным Iснач.
2. При увеличении напряжения затвор-исток ток стока уменьшается и при напряжении отсечки UЗИотс становится близким к нулю.
3. Важным параметром полевого транзистора является крутизна характеристики S, определяемая как отношение приращения тока стока ΔIс к приращению напряжения затвор-исток ΔUзи :
Крутизна полевых транзисторов с управляющим p–n-переходом может изменяется от 1–2 мА/В у маломощных приборов, до единиц A/B у силовых транзисторов. Максимальное значение крутизна имеет при Uзи= 0 С увеличением напряжения на затворе крутизна уменьшается и при Uзи=UЗИотсстановится равной нулю.
3.3 МОП-транзисторы с индуцированным каналом
Другим типом транзистора с изолированным затвором является МОП-транзистор с индуцированным каналом. Структура транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис.11. Там же приведеноего условное графическое обозначение. От МОП транзистора с встроенным каналом он отличается тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности. При нулевом напряжении канал отсутствует. При этом между стоком и истоком включены два обратно смещенных p–n-перехода. Один p–n-переход образуется на границе между подложкой и стоком, а другой – между подложкой и истоком. Таким образом, при нулевом напряжении на затворе сопротивление между стоком и истоком очень велико, токстока ничтожно мал и транзистор находится в состоянии отсечки.
Если между затвором и истоком включен источник напряжения (рис. 12), то электрическое поле затвора выталкивает дырки из приповерхностного слоя подложки и притягивает в этот слой электроны. В результате в области подложки, примыкающей к диэлектрику, образуется проводящий канал n-типа. Такой канал называют индуцированным. С увеличением положительного напряжения затвор-исток Uзи растет концентрация электронов в канале, следовательно, увеличивается его проводимость.
Если между стоком и истоком приложено положительное напряжение, в индуцированном канале возникает ток стока. Его величина зависит как от напряжения Uзи , так и от напряжения сток-исток Uси . Напряжение затвора, при котором появляется заметный ток стока, называют пороговым и обозначают U0. Пороговое напряжение МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа положительно. Его величина зависит от технологии изготовленияи составляет для современных интегральных МОП-транзисторов 0.5–1.0 В.
Чем больше напряжение затвор-исток превышает пороговое, тем большее количество электронов втягивается в канал, увеличивая его проводимость. Если при этом напряжение сток-исток невелико, проводимость канала пропорциональна разности Uзи -U0.
Если напряжение сток-исток превышает напряжение насыщения
Uнас=Uзи -U0, транзистор переходит в режим насыщения и рост тока прекращается. Объясняется это тем, что напряжение между затвором и поверхностью канала уменьшается в направлении стока. Вблизи истока оно равно Uзи, а в окрестности стока – разности Uзи -Uси. Поэтому при увеличении напряжения Uси сечение канала уменьшается по направлению к стоку (рис. в), а его сопротивление увеличивается. При значениях Uси, превышающих напряжение насыщения (рис. г), канал перекрывается и ток стока остается практически неизменным. Очевидно, что каждому значению Uзи>U0 соответствует свое значение напряжения насыщения.
Семейство выходных характеристик транзистора с индуцированным каналом показано на рис.13. На выходных характеристиках можно выделить линейную (триодную) область, области насыщения и отсечки. Граница между линейной областью и областью насыщения показана на рис. 13 пунктиром.
Таким образом, при малых напряжениях сток-исток МОП-транзистор эквивалентен линейному резистору, сопротивление которого регулируется напряжением затвора. Сопротивление эквивалентного резистора может изменяться от десятков Ом до десятков МОм. Если Uзи<U0, сопротивление бесконечно. С увеличением Uзи сопротивление уменьшается. Режим насыщения МОП-транзистора с индуцированным каналом возникает, когда Uзи>U0, а напряжение сток-исток превышает напряжение насыщения.
В области насыщения ветви выходной характеристики расположены почти горизонтально, т. е. ток стока практически не зависит от напряжения Uси. Таким образом, в режиме насыщения канал МОП-транзистора имеет высокое сопротивление, а транзистор эквивалентен источнику тока, управляемому напряжением затвор-исток.
Область насыщения является рабочей, если транзистор используется для усиления сигналов. Области отсечки и линейная используются, когда транзистор работает в режиме ключа.
Передаточная характеристика МОП-транзистора с индуцированным каналом показана на рис.14. При нулевом напряжении на затворе ток стока равен нулю. Заметный ток появляется тогда, когда напряжение затвора превысит пороговое значение U0 .
Номинальным током МОП-транзистора считается ток при напряжении UЗИ=2U0.
b – удельная крутизна МОП-транзистора:
Геометрические размеры канала являются важными параметрами МОП-транзистора, определяющими его электрические характеристики. Варьируя величины L и W, разработчики интегральных схем получают транзисторы с нужными характеристиками. От размеров канала зависит площадь, которую занимает транзистор на кристалле интегральной схемы. Длина канала современных интегральных МОП-транзисторов составляет 0.06–1 мкм, а ширина – 0.2–100 мкм. Толщина диэлектрика, изолирующего затвор от канала, равна 0.002–0.05 мкм.
Электронные схемы, в которых используется сочетание МОП-транзисторов с каналами n- и p-типов, называют комплементарными (КМОП). Хотя технология изготовления КМОП-структур сложнее, чем цепей, содержащих только n-канальные транзисторы, наличие транзисторов с каналами разных типов предоставляет разработчикам интегральных схем дополнительные возможности. В настоящее время комплементарные структуры стали преобладающими как в цифровых, так и аналоговых интегральных схемах.
3.4 МОП-транзисторы с встроенным каналом.
Структура МОП-транзистора с встроенным каналом n-типа показана на рис.15. На рис. 23.8, б приведено его условное графическое обозначение. Подложка (кристалл кремния p-типа) служит для создания на ней канала n-типа. У МОП-транзисторов имеется дополнительный вывод от подложки. Металлический затвор отделен от полупроводника слоем диэлектрика. Области стока и истока легированы сильнее, чем канал, и обозначены n+.
В качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния толщиной 0.002–0.05 мкм, выращиваемый на поверхности кремния n-типа. При подаче отрицательного напряжения на затвор металлический электрод затвора заряжается отрицательно. У прилегающей к диэлектрику поверхности канала образуется обедненный слой. Ширина обедненного слоя зависит от напряжения Uзи. Такой режим работы МОП-транзистора, когда концентрация носителей в канале меньше равновесной, называют режимом обеднения. При некоторой величине отрицательного напряжения Uзи канал полностью перекрывается обедненным слоем и ток прекращается. Это напряжение называют напряжением отсечки МОП-транзистора с встроенным каналом и обозначают Uотс.
Ток МОП-транзистора с встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеет не нулевое значение, называемое начальным Iснач. Если UЗИ>0, число электронов в канале увеличивается. Это приводит к увеличению проводимости канала. Такой режим работы транзистора с встроенным каналом, при котором концентрация носителей в канале больше равновесной, называют режимом обогащения.
Таким образом, МОП-транзистор с встроенным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения, при положительном напряжении Uзи. Выходная и передаточная характеристики МОП-транзистора с встроенным каналом n-типа показаны на рис.16.
На рисунке 17 приведена сравнительный график, переходных характеристик, различных типов полевых транзисторов. Видно, что основное отличие в положении рабочей зоны напряжения на затворе, а форма характеристик и закон изменения аналогичен. Такая же ситуация и с выходными характеристиками.
3.5 Полевые транзисторы с барьером Шоттки
Отметим, что полевые транзисторы с управляющим переходом, имеют лучшие частотные свойства в виду малой барьерной ёмкости по сравнению с ёмкостью изолированного затвора. Особо в этом плане выделяются полевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТБШ), где вместо p-n перехода используется переход металл-полупроводник.
Полевые транзисторы Шоттки обычно изготавливаются из арсенида галлия (GaAs) с каналом n-типа. Подвижность электронов в слабом поле арсенида галлия (GaAs) примерно в 2 раза выше, чем в кремнии (Si), а вместо ёмкостей эмиттерного и коллекторного переходов у ПТШ имеется сравнительно малая ёмкость обратно смещённого затвора на барьере Шоттки, поэтому они могут работать на частотах до 90…120 ГГц. Внутренняя обратная связь через паразитные ёмкости в ПТБШ незначительна, усилители работают на них более устойчиво в широком диапазоне частот. Несмотря на то, что теплопроводность GаАs в З раза меньше, чем у Si, биполярные транзисторы уступают ПТБШ по коэффициенту шума уже на частотах выше 1…1,5 ГГц. Показатели коэффициента шума ПТБШ могут достигать: 0,5…1,4 дБ на частотах 0,5…18 ГГц, 5…6 дБ на частотах миллиметрового диапазона длин волн.
Высокочастотные характеристики полевых транзисторов Шотки ограничены подвижностью электронов и временем пролета канала. Уменьшая длину затвора, можно увеличить быстродействие этих приборов, но такой подход имеет свой предел и не всегда эффективен.
3.6 Полевые транзисторы с управляющим гетеропереходом
Дальнейшим развитием полевых транзисторов с управляющим переходом является использование вместо перехода металл-полупроводник гетеропереходов сложной структуры.
Полевые транзисторы с управляющим гетеропереходом (Hetero junction field-effect transistor — HFET) изготавливаются с использованием полупроводников сразу нескольких типов. Основной особенностью гетеро структур в таких транзисторах является возможность формирования при определенных условиях областей (каналов), в которых обеспечивается повышенная подвижность электронов. В специально подобранных гетеропереходах возникают так называемые квантовые колодцы, которые и формируют двумерный электронный газ с увеличенной подвижностью электронов. Благодаря указанному свойству, получило широкое распространение другое название для таких транзисторов — Транзисторы с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ) (High-electron-mobility transistor — HEMT). А в силу особенностей технологии изготовления их также иногда называют Полевыми транзисторами с модулированным легированием (Modulated-doping field effect transistor — MODFET).
Транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT-транзисторы) обладают поистине уникальными характеристиками. Эти приборы находят применение в разнообразной СВЧ-аппаратуре, так как могут работать практически во всем диапазоне сверхвысоких частот (300 МГц ... 300 ГГц). А некоторые опытные экземпляры подбираются к рубежу 1 ТГц.
Чаще всего применяют гетеропереходы GaAs-AlGaAs, GaN-AlGaN или многослойные гетеро структуры, такие, например, как GaN-AlN-AlGaN на кремниевой подложке.
Памятка