Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

Схематически полевой транзистор с управляющим p-n переходом можно представить в виде пластины, к торцам которой подключены электроды, исток и сток. На рис. показана структура и схема включения полевого транзистора с каналом n-типа:

В транзисторе с n-каналом основными носителями заряда в канале являются электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока I_c. Между затвором и истоком приложено напряжение, запирающее p-n переход, образованный n-областью канала и p-областью затвора.

При подаче запирающего напряжения на p-n-переход U_зи на границах канала возникает равномерный слой, обедненный носителями заряда и обладающий высоким удельным сопротивлением. Это приводит к уменьшению проводящей ширины канала.

Изменяя величину этого напряжения, можно изменить сечение канала и, следовательно, изменять величину электрического сопротивления канала. Для полевого n-канального транзистора потенциал стока положителен по отношению к потенциалу истока. При заземленном затворе от стока к истоку протекает ток. Поэтому для прекращения тока на затвор нужно подать обратное напряжение в несколько вольт.

Значение напряжения U_зи, при котором ток через канал становится практически равен нулю, называется напряжением отсечки U_зап

Таким образом, полевой транзистор с затвором в виде p-n-перехода представляет собой сопротивление, величина которого регулируется внешним напряжением.

Полевой транзистор характеризуется следующей ВАХ:

Здесь зависимости тока стока I_с от напряжения при постоянном напряжении на затворе Uзи определяют выходные, или стоковые, характеристики полевого транзистора. На начальном участке характеристик U_си + |U_зи| < U_зап ток стока I_с возрастает с увеличением U_си. При повышении напряжения сток - исток до U_си = U_зап - |U_зи| происходит перекрытие канала и дальнейший рост тока I_с прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение U_зи между затвором и истоком смещает момент перекрытия канала в сторону меньших значений напряжения U_си и тока стока I_с. Участок насыщения является рабочей областью выходных характеристик полевого транзистора. Дальнейшее увеличение напряжения U_си приводит к пробою р-n-перехода между затвором и каналом и выводит транзистор из строя.

На ВАХ I_с = f(U_зи) показано напряжение U_зап. Так как U_зи ≤ 0 p-n-переход закрыт и ток затвора очень мал, порядка 10^-8…10^-9 А, поэтому к основным преимуществам полевого транзистора, по сравнению с биполярным, относится высокое входное сопротивление, порядка10¹⁰…10¹³ Ом. Кроме того, они отличаются малыми шумами и технологичностью изготовления.

Практическое применение имеют две основные схемы включения. Схема с общим истоком (рис. а) и схема с общим стоком (рис. б), которые показаны на рисунке:

Наверх

Полевые транзисторы с изолированным затвором
(МДП-транзисторы)

Термин "МДП-транзистор" используется для обозначения полевых транзисторов, в которых управляющий электрод – затвор – отделен от активной области полевого транзистора диэлектрической прослойкой – изолятором. Основным элементом для этих транзисторов является структура металл-диэлектрик-полупроводник (М-Д-П).

Технология МДП-транзистора с встроенным затвором приведена на рисунке:

Исходный полупроводник, на котором изготовлен МДП-транзистор, называется подложкой (вывод П). Две сильнолегированные области n⁺называется истоком (И) и стоком (С). Область подложки под затвором (З) называется встроенным каналом (n-канал).

Физической основой работы полевого транзистора со структурой металл-диэлектрик-полупроводник является эффект поля. Эффект поля состоит в том, что под действием внешнего электрического поля изменяется концентрация свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника. В полевых приборах со структурой МДП внешнее поле обусловлено приложенным напряжением на металлический электрод-затвор. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения могут быть два состояния области пространственного заряда (ОПЗ) в канале – обогащение, обеднение.

Режиму обеднения соответствует отрицательное напряжение U_зи, при котором концентрация электронов в канале уменьшается, что приводит к уменьшению тока стока. Режиму обогащения соответствует положительное напряжение U_зи и увеличение тока стока.

ВАХ представлена на рисунке:

Топология МДП-транзистора с индуцированным (наведенным) каналом р-типа приведена на рисунке:

При U_зи = 0 канал отсутствует и I_c = 0. Транзистор может работать только в режиме обогащения U_зи < 0. Если отрицательное напряжение Uзи превысит пороговое U_зи.пор, то происходит формирование инверсионного канала. Изменяя величину напряжения на затворе U_зи в области выше порогового U_зи.пор, можно менять концентрацию свободных носителей в инверсионном канале и сопротивление канала. Источник напряжения в стоковой цепи U_си вызовет ток стока I_с.

ВАХ представлена на рисунке:

В МДП-транзисторах затвор отделен от полупроводника слоем окисла SiO₂. Поэтому входное сопротивление таких транзисторов порядка 10¹³…10¹⁵ Ом.

К основным параметрам полевых транзисторов относятся:

· Крутизна характеристики при U_сп = const, U_пи = const. Типичные значения параметра (0,1...500) мА/В;

·

· Крутизна характеристики по подложке при U_сп = const, U_зи = const. Типичные значения параметра (0.1...1) мА/В;

· Начальный ток стока I_с.нач. – ток стока при нулевом значении напряжения U_зи. Типичные значения параметра: (0,2...600) мА – для транзисторов с управляющим каналом p-n переходом; (0,1...100) мА – для транзисторов со встроенным каналом; (0,01...0,5) мкА – для транзисторов с индуцированным каналом;

· Напряжение отсечки U_зи.отс.. Типичные значения (0,2...10) В; пороговое напряжение U_п. Типичные значения (1...6) В;

· Сопротивление сток-исток в открытом состоянии. Типичные значения (2..300) Ом

· Дифференциальное сопротивление (внутреннее): при U_зи = const;

· Статистический коэффициент усиления: μ = S · r_i

Наверх