3.02. Типы ПТ
N - канальные, p - канальные ПТ. Теперь о генеалогическом древе. Во-первых, полевые транзисторы (как и биполярные) могут выпускаться обеих полярностей. Таким образом, зеркальным отображением нашего n - канального МОП - транзистора является p-канальный МОП - транзистор. Его характеристики симметричны и напоминают характеристики p-n-p - трапзистора: сток нормально имеет отрицательное смещение по отношению к истоку, и ток стока будет проходить, если на затвор подать отрицательное по отношению к истоку напряжение не менее одного - двух вольт. Симметрия несовершенна, поскольку носителями являются не электроны, а дырки с меньшей «подвижностью» и «временем жизни неосновных носителей». Эти параметры полупроводника важны для свойств транзисторов, а выводы стоит запомнить: р - канальные ПТ имеют обычно более плохие характеристики, а именно более высокое пороговое напряжение, более высокое Rвкл и меньший ток насыщения.
МОП - транзисторы, ПТ с p-n - переходом. У МОП-транзисторов (металлокисел - полупроводник затвор изолирован от проводящего канала тонким слоем SiO2 (стекла), нарощенного на канал (Рис. 3.5). Затвор, который может быть металлическим или легированным полупроводником, действительно изолирован от цепи исток - сток (характеристическое сопротивление > 1014 Ом) и действует на проводимость канала только своим электрическим полем. Иногда МОП - транзисторы называют полевыми транзисторами с изолированным затвором. Изолирующий слой довольно тонкий, обычно его толщина не превышает длины волны видимого света и он может выдержать напряжение затвора до ±20 В и более. МОП - транзисторы просты в применении, поскольку на затвор можно подавать напряжение любой полярности относительно истока, и при этом через затвор не будет проходить никакой ток. Эти транзисторы, однако, в большой степени подвержены повреждениям от статического электричества, вы можете вывести из строя устройство на МОП - транзисторах буквально одним прикосновением.
Pис. 3.5. N - канальный МОП - транзистор.
Символическое изображение МОП - транзистора показано на рис. 3.6. Здесь представлен дополнительный вывод, «тело» или «подложка» - кусок кремния, на котором выполнен ПТ (см. рис. 3.5). Так как подложка образует с каналом диодное соединение, напряжение на ней должно быть ниже напряжения проводимости. Она может быть соединена с истоком или с точкой схемы, в которой напряжение ниже (выше), чем у истока n - канального (p - канального) МОП - транзистора. Обычно на схемах вывод подложки не показывается; более того, часто инженеры используют символ с симметричным затвором. К сожалению, при этом не остается ничего, что позволило бы вам отличить сток от истока, но что еще хуже, нельзя отличить n - канальный транзистор от p - канального! В этой книге мы будем использовать только нижние схемные изображения, дабы исключить недоразумения, хотя часто мы будем оставлять вывод подложки неподключенным.
Рис. 3.6. а - n - канальный и б - p - канальный транзисторы.
В ПТ с p-n - переходом затвор образует с расположенным под ним каналом полупроводниковый переход. Это влечет за собой важное следствие, состоящее в том. что в ПТ с p-n - переходом во избежание прохождения тока через затвор последний не должен быть смешен в прямом направлении относительно канала. Например, у n - канального ПТ с p-n - переходом диодная проводимость будет наблюдаться по мере того как напряжение на затворе приближается к + 0.6 В по отношению к концу канала с более отрицательным потенциалом (обычно это исток). Поэтому затвор работает, будучи смещен в обратном направлении по отношению к каналу, и в цепи затвора нет никакого тока, кроме тока утечки. Схемные изображения ПТ с p-n - переходом представлены на рис. 3.7. И вновь мы предпочитаем символические обозначения со смещенным затвором, что позволяет идентифицировать исток. Как мы увидим далее, ПТ (как с p-n - переходом, так и МОП - транзисторы) почти симметричны, но обычно они изготавливаются таким образом, чтобы получить емкость между стоком и затвором меньше, чем емкость между истоком и затвором, вследствие чего использовать сток в качестве выходного вывода предпочтительнее.
Рис. 3.7. а - n - канальный и б - р - канальный ПТ с p-n - переходом.
Обогащение, обеднение. N - канальный МОП - транзистор, с которого мы начали эту главу, не проводил ток при нулевом (или отрицательном) смещении затвора и начинал проводить, когда затвор становился положительно смещен относительно истока. Этот тип ПТ известен как ПТ обогащенного типа. Имеется и другая возможность изготовления n - канального ПТ, когда полупроводник канала «легирован» так, что даже при нулевом смешении затвора имеется значительная проводимость канала, и на затвор должно быть подано обратное смещение в несколько вольт для отсечки тока стока. Такой ПТ известен как прибор обедненного типа. МОП - транзисторы могут быть изготовлены любой разновидности, поскольку здесь нет ограничения на полярность затвора. Однако ПТ с p-n - переходом допускают лишь одну полярность смещения затвора, а посему их выпускают только обедненного типа.
График зависимости тока стока от напряжения затвор-исток при фиксированном значении напряжения стока (рис. 3.8) может помочь нам уяснить, в чем состоит это различие. МОП - транзистор обогащенного типа не проводит ток, пока напряжение затвора не станет положительным (имеются в виду n - канальные ПТ) по отношению к истоку, в то время как ток стока МОП - транзистора обедненного типа будет близок к максимальному при напряжении затвора, равном напряжению истока. В некотором смысле такое разбиение на две категории является искусственным, поскольку два графика на рис. 3.8 отличаются только на сдвиг по оси Uзи. Вполне возможно было бы производство «промежуточных» МОП - транзисторов. Тем не менее эта разница становится существенной, когда дело доходит до проектирования схем.
Рис. 3.8. Обогащенные (1) и обедненные (2) ПТ отличаются только сдвигом напряжения затвор - исток (лог. масштаб)
Заметим, что ПТ с p-n - переходом - это всегда приборы обедненного типа и смещение затвора относительно истока не должно быть больше приблизительно +0,5 В (для n - канала), иначе появится проводимость в диодном переходе затвор-канал. МОП-транзисторы могут быть обогащенными или обедненными, но на практике редко можно встретить последние (исключением являются n-канальные ПТ на GaAs и каскодные пары со «сдвоенным затвором» для радиочастотных применений). Отсюда следует, что во всех практически встречающихся случаях мы имеем дело только с ПТ с p-n - переходом обедненного типа либо с обогащенными МОП - транзисторами; и те и другие могут быть любой полярности, те. n - канальными либо p - канальными