Всего на сайте:
282 тыс. 988 статей

Главная | Электроника

Слайд 10  Просмотрен 373

МДП-транзисторы.

В отличие от полевых транзисторов с p-n-переходом, в которых затвор имеет непосредственный электрический контакт с близлежащей областью токопроводящего канала, в МДП-транзисторах затвор изолирован от указанной области слоем диэлектрика. По этой причине МДП-транзисторы относят к классу полевых транзисторов с изолированным затвором.

МДП-транзисторы (структура металл - диэлектрик - полупро­водник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO2 - Отсюда другое название этих транзисторов - МОП-транзисторы (структура металл-окисел-полупро­водник).Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (1012-1014 Ом).

Принцип действии МДП-транзисторов основан па эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП-транзисторы выполняют двух типов - со встроенным и с индуцированным каналом.

МДП-транзисторы представляют собой в общем случае четырех - электродный прибор. Четвертым электродом (подложкой), выпол­няющим вспомогательную функцию, является вывод от подложки исходной полупроводниковой пластины. МДП-транзисторы могут быть с каналом n-пли p-типа. Условные обозначения МДП-транзисторов показаны па рис. 1.39, а- е.

Рис. 1.39. Условные обозначения МДП-транзисторов со встроенным каналом n-типа (а), p-типа (б) выводом от подложки (в); с инду­цированным каналом n-типа (г), p-типа (д) и выводом от подложки (е)

Слайд 11(1)

Рассмотрим особенности МДП-транзисторов со встроенным ка­налом. Конструкции такого транзистора с каналом л-типа показана на рис. 1.40, а. В исходной пластине кремния p-типа с помощью диф­фузионной технологии созданы области истока, стока и канала n-типа. Слой окисла SiO2, выполняет функции защиты поверхности, близлежащей к истоку и стоку, а также изоляции затвора от канала. Вывод подложки (если он имеется) иногда присоединяют к истоку.

Рис. 5.7. Конструкция МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа (а); стоко-затворная характеристика (б); стоко-затворная характеристика (в)

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора со встроенным каналом n-типа для случая соединения подложки с истоком показаны на рис. 1.40, б. По виду эти характеристики близки к характеристикам полевого транзистора с p-n - переходом.

Рассмотрим характеристику при Uзи= 0, что соответствует соединению затвора с истоком. Внешнее напряжение приложено к участку исток — сток положительным полюсом к стоку. Поскольку Uзи = 0, через прибор протекает ток, определяемый исходной проводимостью канала. На начальном участке 0—а, когда падение напряжения в канале мало, зависимость Ic(Ucи) близка к линейной. По мере приближения к точке б падение напряжения в канале приводит ко все более существенному влиянию его сужения (пунктир на рис. 5.7, а) на проводимость канала, что уменьшает крутизну нарастания тока на участке а—б. После точки б токопроводящий канал сужается до минимума, что вызывает ограничение нарастания тока и появление на характеристике пологого участка II.

Слайд 11(2)

Влияние напряжения затвор — исток на ход стоковых характеристик.

В случае приложения к затвору напряжения (Uзи < 0) поле затвора оказывает отталкивающее действие на электроны — носители заряда в канале, что приводит к уменьшению их концентрации в канале и проводимости канала. Вследствие этого стоковые характеристики при Uзи < 0 располагаются ниже кривой, соответствующей Uзи = 0. Режим работы транзистора (Uзи < 0), при котором происходит уменьшение концентрации заряда в канале, называют режимом обеднения.

При подаче на затвор напряжения Uзи > 0 поле затвора притягивает электроны в канал из р-слоя полупроводниковой пластины. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, что соответствует режиму обогащения канала носителями. Проводимость канала возрастает, ток Iс увеличивается. Стоковые характеристики при Uзи > 0 располагаются выше исходной кривой (Uзи = 0).

Для транзистора имеется предел повышения напряжения Uсз ввиду наступления пробоя прилежащего к стоку участка сток — затвор. На стоковых характеристиках пробою соответствует достижение некоторой величины Uси.пр. В случае Uзи < 0 пробой наступает при меньшем напряжении Ucи.

Примерный вид стоко-затворной характеристики транзистора со встроенным каналом иллюстрирует рис. 5.7, в. Ее отличие от стоко- затворной характеристики транзистора с p-n-переходом (см. рис. 5.8) обусловлено возможностью работы прибора как при Uзи < 0 (режим обеднения), так и при Uзи > 0 (режим обогащения).

Слайд 12(1)

Конструкция МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис. 5.8, с. Канал проводимости тока здесь специально не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины в случае приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока.

За счет притока электронов в приповерхностном слое происходит изменение электропроводности полупроводника, т.е. индуцируется токопроводящий канал п-типа, соединяющий области стока и истока. Проводимость канала возрастает с повышением приложенного к затвору напряжения положительной полярности. Таким образом, транзистор с индуцированным каналом работает только в режиме обогащения.

Рис. 5.8. Конструкция МДП-транзистора с индуцированным каналом п-типа (а); семейство его стоковых характеристик (б); стоко-затворная характеристика (в)

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа приведены на рис. 5.8, б. Они близки по виду аналогичным характеристикам транзистора со встроенным каналом и имеют тот же характер зависимости Ic = F(Uси). Отличие заклю­чается в том, что управление током транзистора осуществляется нап­ряжением одной полярности, совпадающей с полярностью напряже­ния Uси. Ток Ic равен нулю при Uзи = 0, в то время как в транзис­торе со встроенным каналом для этого необходимо изменить поляр­ность напряжения на затворе относительно истока. Вид стоко-затворной характеристики транзистора с индуцированным каналом показан на рис.5.8 в.

Слайд 12(2)

МДП-транзисторы обоих типов выпускаются на тот же диапазон токов и напряжений, что и транзисторы с p-n-переходом. Примерно такой же порядок величин имеют крутизна S и внутреннее сопро­тивление ri. Что касается входного сопротивления и межэлектродных емкостей, то МДП-транзисторы имеют лучшие показатели, чем тран­зисторы с р-n-переходом. Как указывалось, входное сопротивление у них составляет 1012 - 1014 Ом. Значение межэлектродных емкостей не превышает: для Сзи, Сси - 10 пФ, для Сзс - 2 пФ. Схема замеще­ния МДП-транзисторов аналогична схеме замещения полевых тран­зисторов с p-n-переходом.

МДП-транзисторы широко применяются в интегральном испол­нении. Микросхемы па МДП-транзисторах обладают хорошей техно­логичностью, низкой стоимостью, способностью работы при более высоком напряжении питания, чем микросхемы на биполярных тран­зисторах.

 

Слайд 13(1)

Преимущества и недостатки полевых транзисторов перед биполярными.

Полевые транзисторы практически вытеснили биполярные в ряде применений. Самое широкое распространение они получили в интегральных схемах в качестве ключей (электронных переключателей)

Главные преимущества полевых транзисторов:

1. Благодаря очень высокому входному сопротивлению, цепь полевых транзисторов расходует крайне мало энергии, так как практически не потребляет входного тока.

2. Усиление по току у полевых транзисторов намного выше, чем у биполярных.

3.

Значительно выше помехоустойчивость и надежность работы, поскольку из-за отсутствия тока через затвор транзистора, управляющая цепь со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока.

4. У полевых транзисторов на порядок выше скорость перехода между состояниями проводимости и непроводимости тока. Поэтому они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные.

Главные недостатки полевых транзисторов:

1. Структура полевых транзисторов начинает разрушаться при меньшей температуре (150С), чем структура биполярных транзисторов (200С).

2. Несмотря на то, что полевые транзисторы потребляют намного меньше энергии, по сравнению с биполярными транзисторами, при работе на высоких частотах ситуация кардинально меняется. На частотах выше, примерно, чем 1.5 GHz, потребление энергии у МОП-транзисторов начинает возрастать по экспоненте. Поэтому скорость процессоров перестала так стремительно расти, и их производители перешли на стратегию «многоядерности».

3. При изготовлении мощных МОП-транзисторов, в их структуре возникает «паразитный» биполярный транзистор. Для того, чтобы нейтрализовать его влияние, подложку закорачивают с истоком. Это эквивалентно закорачиванию базы и эмиттера паразитного транзистора. В результате напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора никогда на достигнет необходимого, чтобы он открылся (около 0,6В необходимо, чтобы p-n-переход внутри прибора начал проводить). Однако, при быстром скачке напряжения между стоком и истоком полевого транзистора, паразитный транзистор может случайно открыться, в результате чего, вся схема может выйти из строя.

Рис. 5.9. Паразитный биполярный n-p-n-транзистор внутри МДП транзистора

 

4. Важнейшим недостатком полевых транзисторов является их чувствительность к статическому электричеству. Поскольку изоляционный слой диэлектрика на затворе чрезвычайно тонкий, иногда даже относительно невысокого напряжения бывает достаточно, чтоб его разрушить. А разряды статического электричества, присутствующего практически в каждой среде, могут достигать несколько тысяч вольт. Поэтому внешние корпуса полевых транзисторов стараются создавать таким образом, чтоб минимизировать возможность возникновения нежелательного напряжения между электродами прибора. Одним из таких методов является закорачивание истока с подложкой и их заземление. Также в некоторых моделях используют специально встроенный диод между стоком и истоком. При работе с интегральными схемами (чипами), состоящими преимущественно из полевых транзисторов, желательно использовать заземленные антистатические браслеты. При транспортировке интегральных схем используют вакуумные антистатические упаковки

 

 

Предыдущая статья:Слайд 9 Следующая статья:Слайд 3
page speed (0.0125 sec, direct)