Полевые транзисторы

Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, работа которого основана на модуляции сопротивления полупроводника поперечным электрическим полем (полевой). Его усилительные свойства обусловлены потоком основных носителей заряда одного знака (униполярный), протекающими через проводящий канал (канальный).

Делятся на транзисторы с управляемым p-n переходом (ПТУП) и с изолированным затвором (МДП, МОП).

1.5.1 Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

Существует несколько разновидностей. В 1952 г. Шокли впервые описал унитрон – полевой транзистор плоской конфигурации. В транзисторе проводящий канал (см.рисунок 1.17) изолирован от затвора p-n переходами, смещенными в обратном направлении. По каналу между электродами стока и истока протекает ток основных носителей. Истоком (И) называется электрод, от которого начинают движение (истекают) основные носители заряда в канале. Электрод, к которому движутся (стекают) носители заряда, называется стоком (С). Управляющее напряжение прикладывается к третьему электроду – затвору (З).

Допустим :

а) если , образуется равномерный р-п переход, чем больше напряжение |Uзи |, тем шире переход и уже проводящий канал;

б) если напряжение не равно нулю, то ширина канала неравномерна из-за падения напряжения на сопротивлении канала от тока стока Ic. В точке а напряжение равно Uа=Uзи, в точке б – Uб = Uзи + Uси. Сечение канала сужается от истока к стоку. Принцип работы транзистора с управляющим р-п переходом основан на изменении сопротивления канала за счет изменения под действием обратного напряжения ширины области р-п перехода, обедненной носителями заряда. При увеличении Uзи увеличивается р-п переход в сторону канала, поперечное сечение канала уменьшается, уменьшается ток стока. При большом напряжении затвора Uзи канал смыкается, ток стремится к нулю. Это напряжение Uзи между затвором и истоком называется напряжением отсечки Uзо.

Основными характеристиками транзистора являются стокозатворная Ic = f(Uзи) при Uси = const (см. рисунок 1.18,а) и стоковые или выходные характеристики Ic = f(Ucи) при Uзи = const (см. рисунок 1.18,б). На выходных характеристиках можно выделить две области: область 1 крутого изменения тока (линейный омический участок характеристики) и область П (нелинейный пологий, рабочий участок), соответствующую режиму насыщения. При малых Ucи расширение запирающего слоя незначительно. При увеличении Ucи ток стока увеличивается по закону Ома. С некоторого момента (Ucи = Ucи нас) наступает насыщение. Ток стока не растет с увеличением напряжения Ucи. Наступает своеобразное динамическое равновесие: увеличение тока стока вызывает увеличение падения напряжения на р-п переходе и сужение канала, которое уменьшает ток стока. Сужение идет в сторону стока. Сечение при этом минимально. Последующее увеличение Ucи не уменьшает сечение, а увеличивает длину узкого участка сечения, называемого «коридор» или «горловина». Поэтому ток стока постоянный. В точке В напряжение стока достигает напряжения пробоя перехода. При дальнейшем увеличении Ucи увеличивается ток стока, и прибор может выйти из строя. При увеличении Uзи (следовательно, при меньших первоначальных сечениях) процессы аналогичны, но сужение канала наступает раньше, это приводит к более раннему выходу на участок насыщения. Ток стока ограничен на более низком уровне.

Стокозатворная или характеристика передачи Ic = f(Uзи) при Uси = const приведенана рисунке 1.18,а. Ее используют для вычисления крутизны харак-теристики S, показывающего эффективность управляющего действия затвора S = |Ucи=соnst.

Другим важным параметром транзистора является выходное сопротивление |Uзи=const.

Усилитель-ные свойства полевых транзи-сторов характе-ризуются коэф-фициентом уси-ления

|Uзи=const, который связан с крутизной характеристики и выходным сопротивлением уравнением μ=Ri∙S.

Основными преимуществами полевых транзисторов с управляющим переходом являются высокое входное сопротивление, малые шумы, простота изготовления, отсутствие в открытом состоянии остаточного напряжения между стоком и истоком открытого транзистора.

1.5.2 Полевые транзисторы с изолированным затвором

Полевые транзисторы с изолированным затвором отличаются от полевых транзисторов с управляющим р-п переходом тем, что электрод затвора изолирован от полупроводниковой области канала слоем диэлектрика. Эти транзисторы имеют структуру металл-диэлектрик-полупроводник и называются кратко МДП-транзисторами. Если в качестве диэлектрика используется оксид кремния, то их называют также МОП-транзисторами. Сопротивление канала изменяется за счет изменения концентрации подвижных носителей в поверхностном (подзатворном) слое полупроводника под действием внешнего электрического поля. Поле создается напряжением, которое прикладывается к затвору. Затвор – это металлический электрод, который отделен от поверхности полупроводника слоем тонкой диэлектрической пленки. Наличие пленки позволяет подавать на затвор либо положительное, либо отрицательное напряжение. Ток через затвор в обоих случаях отсутствует. Транзисторы подразделяется на два класса:

а) со встроенным (проводящим) каналом;

б) с индуцированным (непроводящим) каналом.

1.5.2.1 Полевой транзистор со встроенным каналом

Структура транзистора приведена на рисунке 1.19.

Здесь р+ –- область с повышенной концентрацией примесей; Д – диэлектрик; Ме – металл; И – исток; С– сток; З – затвор.

При Uси ≠ 0 и = 0 течет ток стока Iс.

При <0 в канал притягиваются дырки – режим обогащения, ток Iс растет.

При >0 от затвора отталкиваются дырки – режим обеднения, ток Iс снижается.

1.5.2.2 Транзистор с индуцированным каналом (см. рисунок 1.20)

В этом транзисторе отсутствует структурно выраженный канал.

При Uз =0 , , так как отсутствует проводимость между стоком и истоком. Здесь имеет место два встречновключенных р-п переходов.

При Uз > 0 электроны притягиваются к поверхности . Режим обеднения не применяется. При Uз<0 к поверхности притягиваются дырки и образуется индуцированный канал К, по которому течет ток.

Наиболее широко используется транзистор с индуцированным р-каналом из-за простоты изготовления.

Полевые транзисторы успешно применяют в различных усилительных и переключающих устройствах, их часто используют в сочетании с биполярными транзисторами. В таблице 1.2 приведены условные графические обозначения полевых транзисторов.

 

Т а б л и ц а 1.2

Наименование прибора Обозначение
Полевой транзистор с управляющим р-п переходом с n-каналом
Полевой транзистор с управляющим р-п переходом с p-каналом

 

 

Продолжение т а б л и ц ы 1.2

  Полевой транзистор с изолированным затвором со встроенным n‑каналом
Полевой транзистор с изолированным затвором со встроенным p‑каналом  
Полевой транзистор с изолированным затвором с индуцированным n‑каналом
Полевой транзистор с изолированным затвором с индуцированным p‑каналом