ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Физические принципы, положенные в основу полевых транзисторов, были известны давно, однако их реализация встретила существенные технические трудности. Только в 60-х годах полевые транзисторы начали широко применять в различных областях электроники.

В полевых транзисторах используют эффект воздействия поперечного электрического поля на проводимость канала, по которому движутся носители электрического заряда.

Полевые канальные транзисторы имеют существенные преимущества, к которым прежде всего относятся большое входное сопротивление приборов (10¹⁰ — —10¹⁵ Ом), большая устойчивость к проникающим излучениям (допускается уровень излучений, на 3—4 порядка больший, чем для биполярных транзисторов), малый уровень собственных шумов, малое влияние температуры на усилительные свойства.

Схематическое изображение полевых транзисторов с управляющим переходом показано на рис.

Полевые транзисторы изготовляют двух типов: с затвором в виде р-п перехода и с изолированным затвором.

Устройство транзистора с затвором в виде р-п перехода схематично представлено на рис. 16.25. Основу прибора составляет слаболегированная полупроводниковая пластина р-типа, к торцам которой приложено напряжение U_c, создающее ток I_с через сопротивление нагрузки R_H. В полупроводниковой пластине этот ток обеспечивается движением основных носителей заряда. Торец пластины, от которого движутся носители заряда, называется истоком. Торец, к которому движутся носители заряда — стоком. В две противоположные боковые поверхности основной р- пластины вплавлены пластинки типа п. На границе раздела пластин п-р возникают электронно-дырочные переходы. К этим переходам в непроводящем направлении приложено входное напряжение и_вк. Значение напряжения U_вх можно менять при обязательном сохранении указанной на рисунке полярности. Обычно U_вх состоит из двух составляющих: переменного напряжения управляющего сигнала и постоянной составляющей начального смещения, значение которой превышает амплитуду сигнала. Пластины n-типа образуют затвор. При указанной полярности напряжения на затворе вокруг этих пластин образуется слой, обедненный носителями заряда и, следовательно, имеющий малую проводимость. Между обедненными слоями сохраняется канал с высокой проводимостью.

Принцип действия полевого транзистора основан на изменении ширины обедненного слоя при изменении обратного напряжения p-n-перехода (см. § 16.5). С увеличением напряжения на затворе ширина обедненных слоев увеличивается, а поперечное сечение канала и его проводимость уменьшаются.

Таким образом, изменяя напряжение и_лх на затворе, можно менять ток через сопротивление нагрузки Rн и выходное напряжение U_вых.

Работу полевого транзистора принято характеризовать зависимостью тока стока I_с от напряжения между истоком и стоком U_c при различных значениях напряжения на затворе U₃. Эта зависимость аналогична анодной характеристике усилительной лампы.

Семейство характеристик полевого транзистора с затвором в виде р-n-перехода изображено на рис. 16.26. Сначала с увеличением U_c ток I_с нарастает практически линейно. Затем наступает режим насыщения и увеличение U_c не приводит к росту тока. Это объясняется тем, что при насыщении напряженность продольного поля в канале складывается с напряженностью поперечного поля и канал в области стока сужается. Причем чем больше напряженность продольного поля (чем больше U_c), тем больше сужается канал в области стока. Ток при этом остается постоянным. Ток насыщения тем меньше, чем больше напряжение на затворе (обратное напряжение р-п-перехода).

Устройство полевого транзистора с изолированным затвором схематически показано на рис. 16.27. Основу прибора составляет пластина полупроводника р-типа. На небольшом расстоянии друг от друга в поверхность основной пластины вплавляют донорную примесь. Затем поверхность пластины кремния подвергают термической обработке, в результате чего на ней наращивается тонкий (0,1 мкм) слой диоксида, являющегося хорошим изолятором. На слой изолятора накладывают металлическую пластину затвора, перекрывающую области донорной примеси п.

Транзисторы с изолированным затвором чаще называют транзисторами типа МДП (металл — диэлектрик— полупроводник). Упрощенно принцип его работы можно представить следующим образом: при отсутствии напряжения на затворе области п истока и стока разделены непроводящей прослойкой основной пластины; при подаче на затвор положительного напряжения электроны вытягиваются из основной пластины и скапливаются под изолирующей прослойкой. При определенной разности потенциалов концентрация электронов под диэлектриком превысит концентрацию дырок и области п будут соединены проводящим электронным каналом.

В рассмотренном случае проводящий канал между истоком и стоком индуцируется напряжением затвора. Разновидностью МДП-транзисторов являются конструкции, при которых канал «встраивается» в процессе изготовления прибора путем введения соответствующих примесей. Напряжение затвора меняет концентрацию носителей и проводимость встроенного канала.

Полевые транзисторы могут быть изготовлены и на основе пластин п-типа.