TRANZYSTOR POLOWY TYPU MIS
5.2.1. Wiadomości ogólne
Tranzystorem polowym z izolowaną bramką (tranzystorem unipolarnym z izolo
waną bramką) nazywamy element półprzewodnikowy sterowany za pom ocą pola elektrycznego i posiadający zdolności wzmacniania sygnałów prądu stałego i zmien
nego. W przyrządzie tym, podobnie jak w tranzystorze polowym typu PN FET, stero
wanie prądem wyjściowym odbywa się za pom ocą poprzecznego pola elektrycznego zmieniającego konduktywność półprzewodnika, z którego wykonano tranzystor.
W odróżnieniu do tranzystora PN FET elektroda sterująca (bramka) oddzielona jest od kanału za pom ocą dielektryka, którym najczęściej jest warstwa S i0 2 (stąd bierze się także nazwa MOS FET). Ze względu na konstrukcję kanału tranzystory te dzieli
my na tranzystory z kanałem zubożanym i wzbogacanym. Tranzystory z kanałem zubożanym charakteryzują się istnieniem wbudowanej technologicznie (m etodą dy
fuzji, implantacji lub epitaksji) lub indukowanej warstwy przewodzącej pomiędzy ob
szarami źródła i drenu, o tym samym typie przewodnictwa co te obszary. Dzięki temu przy zerowej polaryzacji bramki UGs = 0 przez tranzystor płynie duży prąd drenu lD.
93
Mówimy wówczas, że tranzystor jest normalnie włączony. W związku z tym tranzy
story tego typu posiadają możliwość dwóch stanów pracy:
-
ze zubożaniem, gdy wzrost bezwzględnej wartości napięcia U g s (kanał n: U g s < 0,
Tranzystory z kanałem wzbogacanym charakteryzują się brakiem warstwy prze
wodzącej pomiędzy źródłem a drenem przy braku polaryzacji bramki, tj. UGs = 0. przyczyną wzrostu konduktywności kanału, a więc i wartości prądu drenu lD. Niektóre typy tranzystorów MISFET posiadają wyprowadzoną czwartą elektrodę zwaną podło
żem B. Podłoże oddzielone jest od kanału za pomocą złącza p-n. Zaporowe spolary
zowanie tej elektrody (UBs < 0 dla kanału n) powoduje wzrost rezystancji kanału po
przez zmniejszenie jego grubości. Podłoże można więc traktować jako dodatkową bramkę, za pom ocą której można modulować konduktancję kanału, a więc wartość i® prądu drenu lD.
Odmianę tranzystorów polowych typu MISFET stanowią tranzystory dwubramko- we posiadające dwie izolowane bramki umieszczone szeregowo pomiędzy źródłem a drenem. Tranzystor ten można traktować jako szeregowe połączenie dwóch typo- wych tranzystorów MISFET, a jego podstawową zaletą jest duża wartość transkon- zfi duktancji gm, której wartość można zmieniać za pom ocą napięcia drugiej bramki ip Ugs2- Znalazło to zastosowanie we wzmacniaczach p.cz. i w.cz. z autom atyczną
re-biee gulacją wzmocnienia, w układach modulacji, demodulacji i przemiany częstotliwości.
t# Tranzystory typu MISFET wykonywane są najczęściej z krzemu monokrystalicz-i»' nego, z kanałem typu n (NMOS) lub p (PMOS). Tranzystory o kanale typu n cha
łat rakteryzują się większymi wartościam i transkonduktancji gm niż tranzystory z kana-yoł łem typu p. Podobnie jak tranzystor połowy złączowy, tranzystor połowy z izolowaną
ter. bramką z kanałem wzbogaconym posiada tylko jeden sposób polaryzacji:
Hjl
94
I D - f( U GS.U Ds)
- kanał typu n - U Ds > O, UGs S O, UBs S O, - kanał typu p - U Ds < O, UGs S O, UBs ^ 0.
Tranzystory te stosowane są głównie w technice cyfrowej. Natomiast tranzystor z kanałem zubożanym różni się możliwością dwubiegunowej polaryzacji bazy, przy zachowaniu pozostałych warunków bez mian. Te tranzystory znalazły głównie zasto
sowanie w technice analogowej.
5.2.2. Charakterystyki statyczne
W przypadku tranzystorów polowych z izolowaną bram ką interesują nas rodziny charakterystyk wyjściowych i przejściowych, tj.:
i l D = f ( U GS) d la U DS = const [ l D = f ( U DS) d la U GS = const
Tranzystor może się znajdować w jednym z czterech podstawowych stanów, tj.:
1) stan odcięcia: UGs > U j, U Ds dowolne - kanał typu n
Rodzina charakterystyk wyjściowych dla tranzystora z kanałem wzbogacanym została przedstawiona na rys. 5.1 a, natomiast z kanałem zubożanym na rys. 5.1 b.
W obu przypadkach pole charakterystyk wyjściowych można podzielić na obszary pracy w stanie nienasyconym i nasyconym. W początkowej części stanu nienasyco
nego, gdy U d s « UGS, następuje liniowy wzrost prądu drenu lD przy wzroście napię
cia U ds- W miarę dalszego wzrostu napięcia U Ds pojawia się nieliniowy spadek na
pięcia na rezystancji kanału, będący przyczyną zmian natężenia pola w jego obrębie,
95
a )
W
Rys. 5.1. C harakterystyki wyjściowe tranzystorów MOSFET z kanałem typu n:
b) zubożanym
a) wzbogacanym ,
co prowadzi do zmian rezystancji tego kanału. W efekcie zostaje naruszona liniowa zależność pomiędzy prądem drenu JD a napięciem UDs- Zjawisko to opisano teore
tycznie za pom ocą równania:
(5.1)
gdzie: p - współczynnik materiałowo-konstrukcyjny,
Ut - napięcie progowe.
W miarę dalszego wzrostu napięcia U Ds zależność l D = f( U o s ) jest coraz bardziej nieliniowa, a z chwilą zrównania się z napięciem nasycenia U Dsat wartość prądu lD przestaje zależeć od wartości napięcia U d s , przyjmując wartość daną równaniem:
Moment ten nazywamy „odcięciem kanału”, a wartość tego napięcia można obliczyć ze wzoru:
W rzeczywistym tranzystorze wartość prądu lD nieznacznie rośnie w zakresie na
pięcia Uds > UDsat, co wywołane jest efektem skracania kanału pod wpływem wzrostu wartości napięcia U d s - Polaryzacja podłoża B napięciem Ubs I > 0 powoduje wzrost konduktywności kanału, co przy zachowaniu bez zmian wartości napięć U g s i U d s
prowadzi do spadku wartości prądu drenu lD. Fizycznie odpowiada to wzrostowi bez
względnej wartości napięcia progowego UT we wzorze (5.2) zgodnie z przybliżoną zależnością:
gdzie:Uro - wartość napięcia Ut dla Ubs = 0,
A - współczynnik materiałowo-konstrukcyjny.
Charakterystyki przejściowe
Charakterystyki przejściowe tranzystorów polowych z izolowaną bram ką ilustrują
ce zależności lD = f(UGs) przedstawiono na rys. 5.2 dla tranzystorów NMOS z kana
łem zubożanym (a) i wzbogacanym (b). W zakresie nasycenia, podobnie jak dla tran
zystorów PN FET, zależność tej charakterystyki od napięcia UDs jest bardzo mała (por. rys. 4.2). Natomiast polaryzacja podłoża napięciem UBs powoduje zmiany
*d _ 2 ^ ^gs Ut)2 (5.2)
UDsat = Ugs - Ut (5.3)
(5.4)
97
przebiegu tej charakterystyki przedstawione na rys. 5.2. Na rysunku zaznaczono na
pięcie progowe U T ; jest to takie napięcie bramki U g s , przy którym potencjał po
wierzchniowy półprzewodnika (ps spełnia warunek, cps = 2cpf, gdzie (Pf to potencjał Fermiego dla danego półprzewodnika. W tej sytuacji potencjały półprzewodnika i izolatora są wyrównane (innymi słowy - ładunek bramki kompensuje ładunki po
wierzchniowe półprzewodnika, ładunki będące rezultatem kontaktowej różnicy poten
cjałów i ładunki podłoża). W zrost napięcia bramki Ugs powyżej wartości
Ut(«Ps > 2<pf) zapoczątkowuje powstawanie kanału n łączącego obszary n+ drenu i źródła (w tranzystorach PMOS oczywiście kanału p). W przypadku tranzystora dwu- bramkowego obserwujemy wyraźną zależność przebiegu charakterystyki przejścio
wej od napięcia drugiej bramki U g s2> c o przedstawiono na rys. 5.3.