Полевые транзисторы

Полевой транзистор — это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал и управляемый электрическим полем*. Так как в процессе протекания электрического тока участвуют только основные носители, то полевые транзисторы называют также униполярными. Наиболее распространены два типа полевых транзисторов: с управляющим переходом и с изолированным затвором. Рассмотрим принципы функционирования полевых транзисторов обоих типов.

На рис. 25 показано схематическое изображение структуры полевого транзистора с управляющим переходом. Транзистор представляет собой пластину полупроводника n- или p-типа (на рис. 25 полупроводник p-типа) на одной из граней которого создана область проводимости противоположного типа — n-область на рис. 25. На границе между областями образуется p-n переход. При помощи невыпрямляющих контактов металл-полупроводник сформированы три электрода, носящие название истока, стока и затвора. Часть объема полупроводника, не входящая в p-n переход, является активной частью транзистора и называется проводящим каналом. Электрод, через который в канал поступают носители заряда, называется истоком (И), электрод, через который носители заряда вытекают, называется стоком (С), электрод, соединенный с областью от области противоположной проводимости, называется затвором (З).

а)	б)
Рис. 25

Проводящий канал может иметь проводимость как p- так и n-типа. Соответственно различают полевые транзисторы с p-каналом и n-каналом. Принципы работы этих транзисторов не отличаются друг от друга, однако на их электроды требуется подавать напряжения различных полярностей.

Рассмотрим работу показанного на рис. 25,а полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа. Подадим положительное напряжение между затвором и истоком транзистора (рис. 25,б), т. е. сместим p-n переход в обратном направлении. Увеличение (по модулю) напряжения приводит к увеличению ширины p-n перехода, уменьшению ширины проводящего канала и увеличению его сопротивления. Таким образом, напряжение управляет сопротивлением канала.

Если между истоком и стоком включить источник напряжения так, чтобы потенциал истока был положительным относительно стока, то через канал начнется движение основных для канала носителей заряда (дырок на рис. 25,б) от истока к стоку. Следовательно, через канал потечет ток стока , направленный от истока к стоку. Включение источника напряжения между истоком и стоком приведет к изменению толщины p-n перехода по длине полупроводника (см. рис. 25,б) т. к. в различных частях полупроводника напряжения по разные стороны p-n перехода будет различным. Действительно, напряжение смещения p-n перехода вблизи истока равно , а вблизи стока — . Ширина p‑n перехода больше со стороны стока, ширина (сечение) канала и, следовательно, его сопротивление наименьшие вблизи стока.

Током через канал можно управлять двумя способами: изменяя напряжение исток-затвор и/или изменяя напряжение исток-сток.

Свойства полевых транзисторов описывают при помощи статических характеристик двух типов: семейства выходных (стоковых) статических характеристик и семейства входных (стокозатворных) статических характеристик передачи.

Рис. 26	л6р8

Выходными характеристиками полевого транзистора называются зависимости тока стока транзистора от напряжения сток-исток при фиксированных значениях напряжения исток-затвор. Примерный вид этой зависимости для рассмотренного транзистора с p-каналом показан на рис.26. По аналогии с биполярными транзисторами на выходных характеристиках полевых транзисторов можно выделить области отсечки, линейного усиления и насыщения.

Под входной характеристикойполевого транзистора понимают зависимость тока стока от напряжения исток-затвор. В общем случае входная характеристика транзистора может быть получена из его выходной характеристики. Очевидно, что входная характеристика будет представлена семейством кривых, построенных при разных значениях напряжения исток-сток.

По входной характеристике передачи можно определить еще один параметр полевого транзистора, характеризующий его усилительные свойства, — крутизну (стокозатворной) характеристики. Крутизна характеристики полевого транзистора — это отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора, включенного по схеме с общим истоком:

.

Как правило ее измеряют при и . Значение крутизны обычно составляет несколько миллиампер на вольт.

Входным дифференциальным сопротивлением называют отношения изменения напряжения затвор-исток к изменению тока затвора при постоянном напряжении сток-исток:

,

где I_З — ток, вызванный движением неосновных носителей заряда через p-n переход (обратный ток); т. к. концентрация неосновных носителей в канале и области затвора мала, то обратный ток мал и почти не зависит от напряжения затвор-исток. По этой причине очень велико и составляет 10⁸…10¹⁰ Ом.

Рис. 27	л6р3

На рис. 27 показаны УГО полевых транзисторов с управляющим переходом и каналами обоих типов.

Транзисторы с изолированным затвором иначе называют МДП-транзисторами (от металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП-транзисторами* (от металл-окисел-полупроводник). В этих транзисторах затвор отделен от полупроводника слоем диэлектрика, в качестве которого обычно выступает диоксид кремния SiO₂. МДП-транзисторы бывают двух типов: со встроенным и с индуцированным каналом.

Основу МДП-транзистора со встроенным каналом составляет слабо насыщенная примесью пластинка (подложка) полупроводника с электропроводностью n- или p-типа (на рис. 28,а в качестве материала подложки показан кремний, подложка имеет проводимость n-типа). В ней созданы две сильно насыщенные области противоположной проводимости, отмеченные на рис. 28,а как «p⁺». Расстояние между p⁺ областями»1 мкм. Они соединены тонким слоем слабонасыщенного полупроводника с проводимостью p-типа. Этот слой называют каналом.

Поверхность пластины полупроводника покрыта тонким (»0,1мкм) слоем диэлектрика. Над слоем диэлектрика над каналом нанесен металлический контакт — затвор. Области p⁺ имеют металлические контакты, один из которых называют истоком, другой — стоком.

В некоторых конструкциях рассматриваемых транзисторов имеется четвертый электрод, соединенный с подложкой и носящий аналогичное название.

МДП-транзисторы со встроенным каналом могут работать в двух режимах: режиме обеднения или режиме обогащения. Поясним это на примере включения транзистора, показанного на рис. 28,б.

Наличие встроенного канала приводит к тому, что при подключении источника напряжения сток-исток через канал начинается движение основных носителей (дырок), которое создает ток стока I_C. Однако величина этого тока зависит от потенциала затвора. В случае, когда затвор имеет положительный потенциал, то электрическое поле будет выталкивать дырки из канала. В результате канал обеднится основными носителями заряда и его проводимость уменьшится. Если потенциал затвора будет отрицательным, то произойдет втягивание дырок из n- области в канал — обогащение канала, что приведет к возрастанию проводимости канала и увеличению тока стока. Подложка создает с p⁺ областями и каналом p-n переход, смещенный в нормальных условиях в обратном направлении. При использовании МДП-транзисторов следует следить, чтобы данный переход не смещался в прямом направлении. Для этого рекомендуется подключать электрод подложки (если он есть) к истоку.

а)	б)
Рис. 28	л6р5

На рис.29 показана выходная характеристика МДП-транзистора с встроенным p-каналом. Из нее видно, что в рассмотренном транзисторе ток стока будет присутствовать даже тогда, когда управляющее напряжение .

 

Рис. 29

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом канал не создается в процессе изготовления транзистора, а образуется под воздействием электрического поля (рис.30,б).

Если к такому транзистору подключить источник напряжения сток-исток (при ), то по цепи стока потечет только обратный ток p-n перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При подключении источника напряжения так, чтобы потенциал затвора относительно истока (и подложки) был отрицательным (для рассматриваемой структуры транзистора) под действием электрического поля приповерхностный слой полупроводника под затвором обеднится. Если напряжение достигнет некоторого значения, называемого пороговым, то слой полупроводника под затвором настолько обеднится, что произойдет его инверсия: из-за малой концентрации электронов определяющую роль в формировании проводимости начнут играть дырки, притягиваемые электрическим полем в эту область. В результате в полупроводнике образуется канал p-типа, который соединит области истока и стока. При наличии источника напряжения через данный канал потечет ток (ток стока), величина которого может регулироваться изменением напряжения . Семейство выходных характеристик МДП-транзистора с индуцированным каналом показано на рис.30,б.

а)	б)
Рис. 30

На рис. 31 показаны УГО рассмотренных МДП-транзисторов обоих типов. МДП-транзисторы с индуцированным каналом используются чаще транзисторов со встроенным каналом, т. к. при отсутствие напряжения на затворе они находятся в закрытом состоянии и не потребляют энергию от источника питания.

Рис. 31

л6р7

Так как затвор в МДП-транзисторах изолирован слоем диэлектрика, они отличаются очень высоким входным сопротивлением (10¹⁴...10¹⁷ Ом). Это накладывает особенности на использование этих транзисторов. Например, во избежание вывода этих транзисторов из строя статическим электричеством, их электроды при хранении соединяют вместе.

Полевые транзисторы во многом превосходят биполярные. Параметры полевых транзисторов меньше зависят от температуры, чем у биполярных. Полевые транзисторы могут работать при крайне низких температурах, способны сохранять свои параметры длительное время при воздействии различных внешних факторов, в частности, радиации. Однако, не смотря на очевидные преимущества, полевые транзисторы не могут полностью заменить биполярные. В частности, это связано с небольшим коэффициентом усиления полевых транзисторов. Кроме того, рабочий диапазон частот полевых транзисторов меньше, чем у биполярных.

В настоящее время появились составные транзисторы, соединяющие в себе полевой и биполярный транзисторы.

Дата добавления: 2015-07-14