Реферат: МОП-транзисторы

                                           СОДЕРЖАНИЕ

   ВВЕДЕНИЕ

1.<span Times New Roman"">   

Устройство полевого транзистора.

2.<span Times New Roman"">   

Схемы включения полевого транзистора.

3.<span Times New Roman"">   

Эквивалентная схема полевого транзистора.

4. Параметры полевого транзистора.

4.1. Частотные свойства.

4.2. Шумовые свойства.

4.3. Тепловые параметры.

4.4. Максимально  допустимые  параметры.

4.5. Вольт — амперные характеристики полевых транзисторов.

5.Рекомендации по применению полевых транзисторов.

СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ   ЛИТЕРАТУРЫ

                                                 ВВЕДЕНИЕ

     Действие транзистора можно сравнить сдействием плотины. С помощью постоянного источника (течения реки) и плотинысоздан перепад уровней воды. Затрачивая очень небольшую энергию на вертикальноеперемещение затвора, мы можем управлять потоком воды большой мощности, т.е.управлять энергией мощного постоянного источника

  Срок службы полупроводниковых триодов и их экономичность во много разбольше, чем у электронных ламп. За счёт чего транзисторы нашли широкоеприменение в микроэлектронике — теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре и,конечно же, в компьютерах. Они заменяют электронные лампы во многихэлектрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.

          Преимуществатранзисторов по сравнению с электронными лампами — те же, как и уполупроводниковых диодов — отсутствие накалённого катода, потребляющегозначительную мощность и требующего времени для его разогрева. Кроме тоготранзисторы сами по себе во много раз меньше по массе и размерам, чем электрическиелампы, и транзисторы способны работать при более низких напряжениях и болеевысоких частотах.

  Но наряду с положительными качествами, триоды имеют и свои недостатки.Как и полупроводниковые диоды, транзисторы очень чувствительны к повышениютемпературы, электрическим перегрузкам и сильно проникающим излучениям (чтобысделать транзистор более долговечным, его помещают в специальные  корпуса ).

          Основныематериалы из которых изготовляют транзисторы — кремний и германий,перспективные – арсенид галлия, сульфид цинка и широко зонные проводники .

  Существует 2 типа транзисторов: биполярные и полевые.  

  Рассмотрим устройство и принцип действия полевого транзистора МОП-структуры (Металл- Окисел- Полупроводник), который нашел широкое применение вкачестве основного элемента всех современных интегральных микросхем КМОПструктуры. 

                               МОП– ТРАНЗИСТОРЫ

  1. Устройство полевого транзистора.

<img src="/cache/referats/1306/image002.jpg" v:shapes="_x0000_s1026">
    Полевой транзистор — это полупроводниковыйприбор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей,протекающим через проводящий канал и управляемый электрическим полем. В отличиеот биполярных  работа  полевых транзисторов  основана  на использовании  основных носителей зарядав полупроводнике. По конструктивному исполнению и технологии изготовления  полевые транзисторы можно разделить на двегруппы: полевые транзисторы  суправляющим  р- п — переходом и полевыетранзисторы с изолированным затвором.

                                  Рис.1. Структура полевого транзистора

   Полевой транзистор с управляющим  р-п-переходом — это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическомотношении от канала

р-п — переходом,смещенным в обратном направлении. Электрод, из которого в канал входят носители заряда, называют истоком; электрод,через который  из  канала уходят носители заряда, — стоком;электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, — затвором.При подключении к истоку отрицательного (для п-канала), а к стокуположительного напряжения (рис. 1 ) в канале возникает электрический ток,создаваемый движением электронов от истока к стоку, т.е. основными носителямизаряда. В этом заключается существенное отличие полевого транзистора отбиполярного. Движение носителей заряда вдоль электронно-дырочного перехода (ане через переходы, как в биполярном транзисторе) является второйхарактерной  особенностью полевоготранзистора.

   Электрическое поле, создаваемое между затвором и каналом, изменяетплотность носителей заряда в канале, т.е. величину протекающего тока. Так какуправление происходит через обратно смещенный р-п-переход,сопротивление между управляющим электродом и каналом велико, а потребляемаямощность от источника сигнала в цепи затвора ничтожно мала. Поэтому полевойтранзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебаний как помощности, так и по току и напряжению.

<img src="/cache/referats/1306/image005.jpg" v:shapes="_x0000_s1027"> <img src="/cache/referats/1306/image006.jpg" v:shapes="_x0000_s1028">

          Рис. 2. Структура  полевоготранзистора с изолированным затвором: а — с индуцированным каналом; б — совстроенным каналом.

   Полевой транзистор с изолированнымзатвором — это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическомотношении от канала слоем диэлектрика. Полевой транзистор с изолированнымзатвором  состоит из пластиныполупроводника (подложки) с относительно высоким удельным сопротивлением, вкоторой созданы две области с противоположным типом электропроводности (рис. 2). На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Поверхностьполупроводника  между истоком и стокомпокрыта тонким  слоем диэлектрика (обычнослоем оксида кремния). На слой диэлектрика нанесен металлический  электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика иполупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным  затвором часто называют МДП- транзисторамиили МОП- транзисторами (металл — оксид-полупроводник).    

   Существуют две разновидностиМДП-транзисторов  с индуцированным и совстроенным каналами.

   В МДП-транзисторах с индуцированным каналомпроводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока и,следовательно, заметный ток стока появляются только при определенной полярности  и при определенном значении напряжения назатворе относительно истока (отрицательного при р-канале и положительного при п-канале). Это напряжениеназывают пороговым  (UЗИ.пор). Так как появление и рост проводимости индуцированногоканала связаны с обогащением его основными носителями заряда, то считают, чтоканал работает в режиме обогащения.

  В МДП — транзисторах  совстроенным каналом проводящий канал, изготавливается технологическим путем,образуется при напряжении на затворе равном нулю. Током стока можно управлять,изменяя значение и полярность напряжения между затвором и истоком. Принекотором положительном напряжении затвор — исток транзистора с р- каналом или отрицательном напряжении транзистора с n -каналом ток в цепи стока прекращается. Это напряжение  называют напряжением отсечки (UЗИ.отс ). МДП — транзистор со встроенным каналомможет работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения канала основныминосителями заряда.

      2. Схемы включения полевого транзистора.

<img src="/cache/referats/1306/image008.jpg" v:shapes="_x0000_s1029">

                         Рис. 3. Схемывключения полевого транзистора.

  Полевой транзистор в качестве элемента схемы представляет собой активныйнесимметричный четырехполюсник, у которого один из зажимов является общим дляцепей входа и выхода.   В зависимости оттого, какой из электродов полевого транзистора подключен к общему выводу,различают схемы: с общим истоком и входом затвор; с общим стоком и входом назатвор; с общим затвором и входом на исток. Схемы включения полевоготранзистора показаны на рис. 3.

  По аналогии с ламповой электроникой, где за типовую принята схема собщим катодом, для полевых транзисторов типовой является схема с общим истоком.

<img src="/cache/referats/1306/image010.jpg" v:shapes="_x0000_s1035">
      3. Эквивалентная схема полевоготранзистора.

 

                       Рис. 4. Эквивалентнаясхема полевого транзистора.

  Эквивалентная схема полевого транзистора, элементы которой выраженычерез  у-параметры, приведен на рис.4.  При таком подключении каждая из проводимостиимеет физический смысл.

  4. Параметры полевого транзистора.

  Входнаяпроводимость определяется проводимостью участка затвор — исток уЗИ.  = у11 + у12 ; выходнаяпроводимость — проводимость участка сток — исток уСИ   = у22  + у21; функции передачи — крутизной вольт-амперной характеристики  S = у21 — у12; функция обратнойпередачи — проходной проводимостью уЗС = у12. Этипараметры применяются за первичные параметры полевого транзистора,используемого в качестве четырехполюсника. Если первичные параметрычетырехполюсника для схем с общим истоком определены, то можно рассчитатьпараметры для любой другой схемы включения полевого транзистора.

    Начальный ток стока IС.нач — ток стока при напряжении между затвором и истоком, равномнулю и напряжении  на стоке, равном илипревышающим напряжение насыщения. Остаточныйток стока IС.ост — ток стока при напряжении между затвором и истоком,превышающем напряжение отсечки. Токутечки затвора IЗ.ут — ток затвора при заданномнапряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой. Обратный ток перехода затвор — сток  IЗСО — ток,протекающий в цепи затвор — сток при заданном обратном напряжении междузатвором и стоком и разомкнутыми остальными выводами. Обратный ток перехода затвор — исток IЗИО — ток, протекающий в цепи затвор — исток при заданномобратном  напряжении между затвором иистоком и разомкнутыми остальными выводами.

    Напряжение отсечки полевого транзистораUЗИ.отс — напряжение   между затвором и истоком транзистора ср-п переходом или изолированным затвором, работающего в режимеобеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения. Пороговое напряжение полевоготранзистора  UЗИ.пор    — напряжение между затвором  и истокомтранзистора с изолированным затвором, работающего в режиме обогащения, прикотором ток стока достигает заданного низкого значения.

   Крутизна характеристик полевоготранзистора S-отношение изменения тока  стока к изменению напряжения на затворе прикоротком замыкании по переменному току на выходе транзистора  в схеме с общим истоком.

   Входная емкость полевоготранзистора С11и — емкость между затвором  и истоком при коротком замыкании попеременному току на выходе в схеме с общим истоком. Выходная емкость полевого транзистора С22и —  емкость между стоком и истоком прикоротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком. Проходная емкость полевого транзистора C12и — емкость между затвором  и стоком при коротком замыкании попеременному току на входе в схеме с общим истоком. Емкость затвор -сток СЗСО  - емкость между затвором и стоком при разомкнутых по переменному токуостальных выводах. Емкость затвор — истокСЗИО емкость между затвором и истоком при разомкнутых попеременному току остальных выводах.

    Коэффициентусиления по мощности  Кур — отношениемощности на выходе полевого транзистора к мощности на входе при определеннойчастоте и схеме включения.

    4.1. Частотные свойства.

    Частотные свойства полевыхтранзисторов определяются постоянной времени RC- цепи  затвора. Поскольку входнаяемкость  С11иу транзисторов с  р-п  переходом велика (десятки пикофарад), ихприменение в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением возможно вдиапазоне частот, ре превышающих сотен килогерц — единиц мегагерц.

    При работе в переключающих схемах скоростьпереключения полностью определяется  постоянной времениRC — цепи затвора. Уполевых транзисторов с изолированным затвором входная емкость значительноменьше, поэтому их частотные свойства намного лучше, чем у полевых транзисторовс р-п- переходом.

    Граничная частота определяется по формулеfгр.=159/С11и, гдеfгр= частота, МГц;  S — крутизнахарактеристики транзистора, мА/В; С11и — емкость между затвором иистоком при коротком замыкании по переменному току выходной цепи,  пФ.

  4.2. Шумовые свойства.

   Шумовые свойства полевых транзисторовоцениваются коэффициентом шума КШ, который мало зависит отнапряжения сток — исток, тока стока и окружающей температуры (ниже 50 0С) и монотонно возрастает с уменьшением частоты и внутреннего сопротивленияисточника сигнала. Коэффициент шума измеряют в заданном режиме по постоянномутоку UСИ, ICна определенной частоте.

    Вместо коэффициента шума иногдауказывают шумовое напряжение полевого транзистора Uш — эквивалентноешумовое напряжение, приведенное ко входу, в полосе частот при определенномполном сопротивлении генератора в схеме с общим истоком; шумовой ток Iш — эквивалентныйшумовой ток, приведенный ко входу, при разомкнутом входе в полосе частот всхеме с общим истоком.

   4.3. Тепловые параметры.

    Тепловые параметры полевого транзистора характеризуют его устойчивость при работе в диапазонетемператур. При изменении температуры свойства  полупроводниковыхматериалов изменяются. Это приводит к изменению параметров полевоготранзистора, в первую очередь, тока стока, крутизны и тока утечки затвора.

    Зависимость изменения токастока от температуры определяется двумя факторами: контактной разностьюпотенциалов р-п перехода и изменением подвижности основных носителей зарядав канале. При повышении температуры контактная разность потенциаловуменьшается, сопротивление канала падает, а ток увеличивается. Но повышениетемпературы приводит к  уменьшениюподвижности носителей заряда в канале и тока стока. При определенных условияхдействие этих факторов взаимнокомпенсируется и ток полевого транзистораперестает зависеть от температуры. На рис. 5. приведены стокозатворныехарактеристики при различных температурах окружающей

<img src="/cache/referats/1306/image012.jpg" v:shapes="_x0000_s1032">
      Рис. 5. Сток — затворные характеристики  полевого транзистора при разных температурах.

среды и указано положение термостабильной точки. Зависимость крутизныхарактеристики от температуры  у полевыхтранзисторов такая же как и у тока стока. С ростом температуры ток утечкизатвора увеличивается. Хотя абсолютное изменение тока незначительно, его надоучитывать при больших сопротивлениях в цепи затвора. В этом случае изменениетока утечки затвора может вызвать существенное изменение напряжения на затвореполевого транзистора и режима его работы. Температурная зависимость тока утечкизатвора полевого транзистора  с р-ппереходом приведена на рис. 6. В

<img src="/cache/referats/1306/image014.jpg" v:shapes="_x0000_s1033">
                      рис. 6. Зависимость тока утечки затвора полевого транзистора             

                                                        от температуры.

полевом транзисторе с изолированным затвором ток затвора практически независит от температуры.

   4.4. Максимально  допустимые параметры.

   М а к с и м а л ь н о   д о п у с т и м ы е   п а р а м е т р ы   определяют значения конкретныхрежимов полевых транзисторов, которые не должны превышаться при любых условияхэксплуатации и при которых обеспечивается заданная надежность. К максимальнодопустимым  параметрам относятся:максимально допустимое напряжение затвор — исток UЗИmax ,  затвор — сток UЗСmax  , сток — исток UСИmax  , максимально допустимое напряжение  сток — подложка  UСПmax  , исток — подложка UИПmax  , затвор — подложка UЗПmax. Максимально допустимый постоянный ток стока IСmax максимально допустимый прямой ток затвора IЗ(пр)max , максимально допустимая постояннаярассеиваемая мощность Рmax.

<img src="/cache/referats/1306/image016.jpg" v:shapes="_x0000_s1036">
   4.5. Вольт – амперныехарактеристики полевых транзисторов.

                                 а                                             б

Рис. 7. Вольт – амперные характеристики полевого транзистора совстроеным

каналом n-типа: а – стоковые;  б – стоко –затворные.

    Вольт — амперные характеристики полевыхтранзисторов устанавливают зависимость тока стока  IC от одного изнапряжений UСИили UЗИпри фиксированной величиневторого.

  В МДП — транзисторе с индуцированным каналом  с подложкой р-типа при UЗИ= 0 канал п-типа может находиться впроводящем состоянии. При некотором пороговом напряжении UЗИ.ПОР< 0 за счетобеднения канала основными носителями проводимость его значительно уменьшается.Статические стоковые характеристики в этом случае будут иметь вид,изображенный на рис.  7, а стоко — затворная характеристика пересекает ось ординат в точке со значением  тока   IC.НАЧ.

   Особенностью МДП — транзистора с индуцированным каналом п- типа является возможность работы без постоянного напряжения смещения             ( UЗИ= 0) в режимекак обеднения, так и  обогащенияканала  основными носителями заряда. МДП- транзистор с встроенным  каналом имеетвольт-амперные характеристики, аналогичные изображенным  на рис.  7.

   У МДП — транзисторов всех типов потенциал подложки  относительно истока оказывает заметноевлияние на вольт -амперные характеристики и соответственно параметры транзистора. Благодаря воздействию напроводимость канала подложка может выполнять функцию затвора.  Напряжение на подложке относительно истокадолжно иметь такую полярность,  чтобы р-п  переход исток  — подложка  включался в обратном направлении. При этом р-ппереход канал — подложка действует как затвор полевого транзистора суправляющим  р-п переходом.

5.Рекомендации по применению полевых транзисторов.

   Рекомендации по применениюполевых транзисторов. Полевые транзисторы имеют  вольт-амперные характеристики, подобныеламповым, и обладают всеми принципиальными преимуществами транзисторов. Это позволяет применять ихв схемах, в большинстве  случаевиспользовались электронные лампы, например, в усилителях постоянного тока свысокоомным    входом, в истоковыхповторителях с особо высокоомным входом , в электрометрических усилителях, различных реле времени, RS — генераторахсинусоидальных колебаний  низких иинфранизких частот, в генераторах пилообразных колебаний, усилителях низкойчастоты, работающих от источников с большим внутренним сопротивлением, вактивных  RC — фильтрах низких частот. Полевыетранзисторы  с изолированнымзатвором  используют в высокочастотныхусилителях, смесителях, ключевых устройствах.

    В рекомендации по использованию транзисторов для случая полевых транзисторовследует внести дополнения:

     1. На затвор полевых транзисторов с р-п ( отрицательное  для транзисторов с р — каналом  и положительным для транзистора с п- каналом).

   2.  Полевые транзисторы сизолированным затвором следует хранить с закороченными выводами. При включениитранзисторов в схему должны быть приняты все меры для снятия зарядовстатического электричества. Необходимую пайку производить на заземленномметаллическом листе, заземлить жало паяльника, а так же руки монтажника при помощиспециального металлического браслета. Не следует применять одежду изсинтетических тканей. Целесообразно подсоединять полевой транзистор к схеме,предварительно закоротив его выводы.

              СПИСОК   ИСПОЛЬЗОВАННОЙ   ЛИТЕРАТУРЫ :

1.Терещук Р.М. Полупроводниковыеприемно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя / 4-е издание, стер.- Киев: Наук. Думка 1989. — 800с.

2.  Бочаров Л.Н. Полевые транзисторы. — М.: Радио и связь, 1984, — 80 с.

3. Полупроводниковые приборы:транзисторы: Справочник / Н.Н.Горюнова.                 

     М.; Энергоатомиздат, 1985. 904с. 

еще рефераты
Еще работы по радиоэлектронике