Электроника в вопросах и ответах - И. Хабловски

Рассматриваемый транзистор типа МОП имеет несколько эквивалентных названий, связанных со структурой и принципом работы, которые встречаются в литературе и каталогах: полевой транзистор, работающий на принципе обогащения носителей в канале, или транзистор с индуцированным или встроенным каналом, или транзистор типа «нормально выключенный».

Название «нормально выключенный» следует из того факта, что ток стока равен нулю при разомкнутом затворе (Uзи = 0) и возрастает при положительных напряжениях на затворе.

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 Uзи = 0, может быть уменьшена («обеднена»), когда (Uзи 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)

Что такое статическая характеристика МОП транзистора?

Статическая характеристика МОП транзистора представляет собой зависимость тока стока Iс от напряжения сток — исток Uси при постоянном напряжении затвор — исток Uзи. 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 Uси линейна до тех пор, пока напряжение Uси 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 Uси (Uси > Uзи) наступает насыщение тока стока. При дальнейшем росте Uси 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 Uси не наблюдается, поскольку в этом случае нет перехода через точку Uси = Uзи.

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

Статическая характеристика, представляющая зависимость тока стока от напряжения Uзи при напряжении Uси, 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»

Каковы структура и принцип действия полевого транзистора с р-n переходом?

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 Uз должно быть отрицательным относительно напряжений Uи и Uс. Основные носители зарядов обычно протекают от истока к стоку, поэтому напряжение Uс должно быть больше напряжения Uи. Например, Uзи = —1 В, Uси = +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 Uотс (например, Uотс = —3 В).

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

1 — канал; 2 — запирающие слои пространственного заряда

Что такое статическая характеристика полевого транзистора с р-n переходом?

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

Входная характеристика (сток-затворная характеристика — прим. перев.) полевого транзистора с управляющим р-n переходом представляет собой зависимость тока стока от напряжения затвор-исток (рис. 4.23, б). Напряжение Uзи, при котором прекращается ток стока, определяет напряжение отсечки Uотс.