Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия «перпендикулярного» току электрического поля, создаваемого входным сигналом.
Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы часто включают в более широкий класс униполярных электронных приборов (в отличие от биполярных).
Схемы включения полевых транзисторов
Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).
Схемы включения полевых транзисторов:
На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком даёт очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не даёт усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение в усилительной технике.
А) С общим истоком. Б) С общим затвором. В) С общим стоком.
Разновидности:
· Транзисторы с управляющим p-n переходом: Полевой транзистор с управляющим p-n переходом — это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении.
· Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)
Полевой транзистор с изолированным затвором — это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом. МДП-транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (UЗИпор).
В МДП-транзисторах со встроенным каналом у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой — канал, который соединяет исток со стоком.
· МДП-структуры специального назначения ВЧ, СВЧ транзисторы.
36. Основы работы полупроводниковых лазеров.
Полупроводниковые лазеры – это лазеры с усиливающей средой на основе полупроводников, где генерация происходит, как правило, за счет вынужденного излучения фотонов при межзонных переходах электронов в условиях высокой концентрации носителей в зоне проводимости. Формально, полупроводниковые лазеры также являются твердотельными лазерами, однако их принято выделять в отдельную группу, т.к. они имеют иной принцип работы.
Схематически процесс возникновения усиления в полупроводниках (для обычных случаев межзонных переходов) показан на рисунке.
Conduction band - зона проводимости, valence band - валентная зона, pumping - накачка, light emission - излучение света.
Без накачки большинство электронов находится в валентной зоне. Пучок накачки с фотонами с энергией немного больше ширины запрещенной зоны возбуждает электроны и переводит их в более высокоэнергетическое состояние в зоне проводимости, откуда они быстро релаксируют в состояние вблизи дна зоны проводимости. В то же время, дырки, генерируемые в валентной зоне, перемещаются в ее верхнюю часть. Электроны из зоны проводимости рекомбинируют с этими дырками, испуская фотоны с энергией, приблизительно равной ширине запрещенной зоны. Этот процесс может также стимулироваться входящими фотонами с подходящей энергией. Количественное описание основывается на распределении Ферми-Дирака для электронов в обеих зонах.
Большинство полупроводниковых лазеров являются лазерными диодами с накачкой электрическим током, и с контактом между n-легированными и р-легированными полупроводниковыми материалами. Есть также полупроводниковые лазеры с оптической накачкой, где носители генерируются за счет поглощения возбуждающего их света, и квантово каскадные лазеры, где используются внутризонные переходы.
Основными материалами для полупроводниковых лазеров (и для других оптоэлектронных устройств) являются:
GaAs (арсенид галлия)
AlGaAs (арсенид галлия - алюминия)
GaP (фосфид галлия)
InGaP (фосфид галлия - индия )
GaN (нитрид галлия)
InGaAs (арсенид галлия - индия)
GaInNAs (арсенид-нитрид галлия индия)
InP (фосфид индия)
GaInP (фосфид галлия-индия).
37. Схема действия полупроводникового инжекционного лазера. Инжекционный лазер представляет собой инжекционный p - n переход, в котором
генерация когерентного излучения обусловлена рекомбинацией электронов и дырок в
области p - n перехода при протекании прямого тока. Избыток энергии при рекомбинации
электрона и дырки может выделяться в виде кванта излучения hn » DE , где DE - ширина
запрещенной зоны, либо передаваться кристаллической решетке, что приводит к повышению температуры кристалла. В связи с этим различают излучательную и безизлучательную рекомбинацию. Вероятность того или другого процесса зависит от строения энергетических зон полупроводника.
Лазерные p - n переходы изготавливаются на основе материалов p и n типа с высокой степенью легирования. Концентрация легирующей примеси в них настолько высока, что уровень Ферми в полупроводнике n типа расположен выше дна зоны проводимости (рис.
4а). Состояния между дном зоны проводимости и уровнем Ферми при этом полностью заполнены электронами (заштрихованная область).
В полупроводнике p -типа уровень Ферми расположен выше потолка валентной зоны.
Состояния между уровнем Ферми и потолком валентной зоны при этом свободны. Полупроводники такого типа называются вырожденными. Энергетическая структура p - n
перехода, образованного вырожденными полупроводниками в отсутствие внешнего
напряжения, приложенного к переходу, приведена на рис.5а. Если к p - n переходу
приложить внешнее напряжение в прямом направлении (плюс к области p ), энергетический барьер в области контакта понизится. Возникнет диффузионный ток электронов из n области в p область и дырок в обратном направлении (рис.5b). В узком контактном слое, толщиной d возникает область с инверсной заселенностью, в которой плотность электронову дна зоны проводимости выше, чем у потолка валентной зоны. Если В этой областираспространяется излучение с энергией квантов удовлетворяющей условию:( ) Fn Fp DE < hn < E - E , то оно может индуцировать только переходы, направленные вниз отзаполненных состояний зоны проводимости на свободные состояния у потолка валентнойзоны. Интенсивность света при этом будет возрастать. Для осуществления генерациякогерентного излучения p - n переход помещают в оптический резонатор. Такаяконструкция и представляет собой полупроводниковый инжекционный лазер. Обычно рольрезонаторов в полупроводниковых лазерах выполняют плоскопараллельные граникристалла, перпендикулярные плоскости p - n перехода. Поверхности этих граней высокогооптического качества получаютлибо полировкой, либоскалыванием по естественнымкристаллографическим плоскостям. Конструкция типичного лазера на арсениде галия, длина волны излучения которого близка к 0,84 мкм, показана на рисунке (выше). В нем использован вырожденный полупроводник n -типа (1), содержащий 1018 атомов донорной примеси теллура в 1 см3.
P -область образована путем диффузии акцепторной примеси цинка с поверхностной концентрацией 102 103 см3 (2). Торцевые поверхности (3), перпендикулярные плоскости перехода (отполированные или сколотые), служат отражателями лазерного резонатора.
38. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом.
Транзисторы с управляющим p-n переходом:
Рисунок. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом.
Полевой транзистор с управляющим p-n переходом — это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении.
Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении (см. рис. 1). При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и, следовательно, толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешним напряжением на управляющем p-n переходе и по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком (Source). Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком (Drain). Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором (Gate).
Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по электропроводности канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.
Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n переходе затвора (или на двух p-n переходах одновременно). В связи с малостью обратных токов мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебаний как по мощности, так и по току и напряжению.
Таким образом, полевой транзистор по принципу действия аналогичен вакуумному триоду. Исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор — сетке, сток — аноду. Но при этом полевой транзистор существенно отличается от вакуумного триода. Во-первых, для работы полевого транзистора не требуется подогрева катода. Во-вторых, любую из функций истока и стока может выполнять каждый из этих электродов. В-третьих, полевые транзисторы могут быть сделаны как с n-каналом, так и с p-каналом, что позволяет удачно сочетать эти два типа полевых транзисторов в схемах.
От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделён от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.
39. МДП-транзисторы. Разновидности. Принцип действия.
Дальнейшим развитием полевых транзисторов являются транзисторы с
изолированным затвором. У них металлический затвор отделен от полупроводникового
канала тонким слоем диэлектрика. Иначе эти приборы называют МДП-транзисторы (от
слов ≪металл-диэлектрик-полупроводник≫), т.к. диэлектриком обычно служит слой
диоксида кремния SiO2. Основанием МДП-транзистора служит кремниевая пластинка с электропроводностью типа p (рис.11). В ней созданы две области с электропроводностью n+-типа с повышенной проводимостью. Эти области являются истоком и стоком. От них сделаны выводы. Между истоком и стоком имеется тонкий приповерхностный канал с электропроводностью n-типа. Длина канала от истока до стока составляют обычно ед. мкм, а его ширина – сотни микрометров и более, в зависимости от рабочего тока транзистора. Толщина диэлектрического слоя SiO2 0,1y0,2 мкм. Сверху диэлектрического слоя расположен затвор в виде тонкой металлической пленки. Кристалл МПД-транзистора обычно соединен с истоком, и его принимается за нулевой – так же, как и истока. Иногда от кристалла бывает сделан отдельный вывод.
Прибор с такой структурой называют транзистором с собственным (или встроенным) каналом. Другим типом является транзистор с индуцированным (инверсным) каналом. От предыдущего он отличается тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности. При отсутствии этого напряжения канала
нет, между истоком и стоком n+-типа расположен только кристалл p-типа и на одном из
pn+-переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между
истоком и стоком очень велико, т.е. транзистор заперт. Но если подать на затвор
положительное напряжение, то под влиянием поля затвора электроны проводимости
будут перемещаться из областей истока и стока и из p-области по направлению к затвору.
Когда напряжение затвора превысит некоторое отпирающее, или пороговое значение (ед.
В), то в приповерхностном слое концентрация электронов настолько увеличивается,
что превысит концентрацию дырок, и в этом случае произойдет т.н. инверсия типа
электропроводности, т.е. образуется тонкий канал n-типа и транзистор начнет проводить
ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и
ток стока. Таким образом, подобный транзистор может работать только в режиме
обогащения, что видно из его выходных характеристик (рис.15) и характеристик
управления (рис.16). Если подложка n-типа, то получится индуцированный канал p-типа.
Параметры МПД-транзисторов аналогичны параметрам полевых транзисторов с np переходом.
40. Динисторы. Структура, схема замещения, ВАХ.
Динистор - полупроводниковый прибор с 3 п-р переходами. При некотором определенном значении напряжения пробиватся и начинает проводить ток до тех пор, пока ток не станет меньше определенного мин. значения. После этого он опять ток не проводит (восстанавливается). Приложишь напряжение - опять будет проводить.
принимается за нулевой – так же, как и