Краткие теоретические сведения

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, управление током которого основано на зависимости электрического сопротивления токопроводящего слоя от напряженности поперечного электрического поля. В полевых транзисторах используются только основные носители заряда: либо электроны, либо дырки, поэтому данные приборы называют униполярными.

Слой полупроводника, в котором протекает ток, называется каналом. Электрическое поле, воздействующее на поток носителей, создается с помощью расположенного над каналом металлического электрода, называемого затвором.

В настоящее время существуют три основных разновидности полевых транзисторов:

· полевые транзисторы с управляющим p–n-переходом;

· полевые транзисторы со структурой металл – окисел – полупроводник или МОП-транзисторы;

· полевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТШ).

Полевые транзисторы с управляющим p–n-переходом. Структура полевого транзистора с управляющим p–n-переходом показана на рис. 4.1.

Рис.3.1. Структура полевого транзистора с управляющим p–n-переходом

На подложке из p– -кремния создается тонкий слой полупроводника n-типа, выполняющий функции канала. На концах канала находятся сильно легированные n+-области, называемые истоком и стоком соответственно, с помощью которых канал включается в цепь управляемого тока. Под металлическим электродом затвора находится p+-слой, образующий с каналом p–n-переход. 

Полевые транзисторы с барьером Шоттки, структура которых показана на рис. 4.2, имеют принцип действия такой же, как транзисторы с управляющим p–n-переходом. Поэтому ниже рассматриваются полевые транзисторы с управляющим p–n-переходом, анализ которых более нагляден. 

Принцип действия. Прикладывая к затвору обратное напряжение Uзи, можно изменять ширину обедненной области р–n-перехода. Чем больше обратное напряжение, тем глубже обедненный слой и тем, соответственно, меньше поперечное сечение канала, где протекает ток. Таким образом, меняя обратное напряжение на затворе, можно менять поперечное сечение, а значит и сопротивление канала. В результате будет меняться величина тока стока Ic, протекающего по каналу и выходной цепи транзистора под воздействием приложенного напряжения сток-исток Uси. Поскольку величина выходного тока (тока стока) может быть достаточно большой, а входной ток затвора (ток обратно смещенного р–n-перехода) мал, то обеспечивается усиление по току и, соответственно, по мощности. 

Рис.3.2. Структура полевого транзистора с барьером Шоттки

 

Статические характеристики и параметры. Связь между током стока и напряжениями на стоке U_си и затворе U_зи определяется с помощью семейства статических выходных (стоковых) вольт-амперных характеристик, выражающих зависимость I_с = f(U_си) при U_зи = const (рис. 4.3, а). Управляющее действие затвора иллюстрируют статические передаточные (сток-затворные) вольт-амперные характеристики (рис. 4.3, б), выражающие зависимость I_с = f(U_зи) при U_си = const [3]. На вольт-амперных характеристиках (ВАХ) полевого транзистора можно выделить три области: линейную, насыщения и отсечки (рис. 4.3, а). 

В линейной области с увеличением напряжения Uси ток стока Ic вначале довольно быстро растет вплоть до  точки перегиба, и характеристики представляют собой прямые линии, наклон которых определяется напряжением на затворе. В этой области полевой транзистор может использоваться как сопротивление, управляемое напряжением на затворе.

В области насыщения рост тока стока прекращается, и характеристики идут практически горизонтально. Это объясняется тем, что при повышении напряжения Uси ток стока должен увеличиваться, но так как одновременно повышается обратное напряжение на p–n-переходе стока, то обедненный слой расширяется, канал сужается, т. е. его сопротивление возрастает и за счет этого ток стока должен уменьшиться. Таким образом, происходят два противоположных воздействия на ток стока, который в результате остается почти постоянным. Увеличение напряжения на стоке выше предельного значения приводит к электрическому пробою p–n-перехода. В области насыщения полевые транзисторы используются в качестве усилительных приборов.

Рис.3.3. Выходные (а) и передаточные характеристики (б) транзистора КП103М с каналом p-типа

 

Напряжение сток-исток, соответствующее точкам перегиба, определяется как U_си = U_зи – U_отс.

При увеличении обратного напряжения на затворе ток стока уменьшается, и характеристика проходит ниже. При определенном значении напряжения на затворе, называемом напряжением отсечки U_отс или пороговым напряжением U_пор, канал почти полностью перекрывается и протекает лишь ток утечки, обусловленный обратным напряжением на p–n-переходе стока (для КП103М U_отс = 2,7–7,0 В при U_си = 10 В, I_c = 10 мкА).

Теоретическое описание ВАХ полевого транзистора с управляющим p–n-переходом в области насыщения получено Уильямом Шокли [1]:

,

4.1

где I_cmax – максимальный ток стока при U_зи = 0, называемый также начальным током I_c.нач.

На практике используют более простое описание ВАХ в области насыщения:

4.2

где k = I_c.нач/U²_отс – постоянный коэффициент, зависящий от геометрических и электрофизических параметров транзистора.

В линейной области ВАХ ПТ описывается выражением [2]

4.3

К низкочастотным параметрам ПТ, определяемым по ВАХ, относятся крутизна S, выходное сопротивление R_i (выходная проводимость g₂₂ = 1/R_i) и сопротивление канала R_к.

Основной параметр ПТ – крутизна – определяется частной производной передаточной характеристики при заданном (постоянном) напряжении сток-исток:

4.4

Крутизна характеризует усилительные свойства полевого транзистора в области насыщения и измеряется в сименсах (Сим), или, как чаще принято называть, в миллиамперах на вольт.

Дифференцируя, можно найти зависимость крутизны от тока стока и напряжения затвор-исток:

4.5

где S_max = 2I_c.нач/|U_отс| – максимальное значение крутизны при U_зи=0.

Второй параметр – выходное (внутреннее) сопротивление R_i, называемое также дифференциальным сопротивлением, – представляет сопротивление канала ПТ переменному току:

4.6

Оно характеризует слабо выраженную зависимость тока стока от напряжения сток-исток. На участке насыщения Ri может достигать сотен кОм. 

Параметром линейной области ВАХ ПТ является сопротивление канала постоянному току Rк = Uси/Ic, зависящее от напряжения затвор-исток Uзи.

Иногда используется такой параметр, как статический коэффициент усиления, который показывает, во сколько раз сильнее действует на ток стока изменение напряжения на затворе, чем изменение напряжения на стоке:

4.7

при I_c = const.

    К параметрам ПТ относится также его входное сопротивление, определяемое как

4.8

Поскольку ток затвора Iз это очень малый ток обратно смещенного p–n-перехода (ток утечки), то входное сопротивление полевого транзистора достигает единиц и десятков МОм.

Измерение или графический расчет крутизны и выходного (внутреннего) сопротивления ПТ по его ВАХ выполняют по конечным приращениям тока стока и напряжений затвор-исток и сток-исток:

4.9

Полевые транзисторы характеризуются предельными параметрами, которые приводятся в их справочных данных.

Например, для полевого транзистора КП103М приводятся предельные параметры:

· предельное напряжение затвор-исток Uзи.пред= 17 В;

· предельное напряжение сток-исток Uси.пред = 10 В;

· максимальный ток стока Iс max = 10 мА; 

· максимальная рассеиваемая мощность Рсmax = 120 мВт при температуре Т = 218–358 К.

МОП-транзисторы. Устройство полевых МОП-транзисторов показано на рис. 4.4. Их называют также МДП-транзисторами (от слов металл – диэлектрик – полупроводник), так как диэлектриком для кремния служит двуокись кремния SiO₂.

Рис.3.4. Структура МДП-транзистора со встроенным n-каналом

Принцип действия. МОП-транзистор с n-каналом, который называется встроенным, может работать в режимах обеднения и обогащения. Эти режимы работы наглядно показывают выходные и передаточные характеристики (рис. 4.5, а, б).

Рис.3.5. Выходные (а) и передаточные (б) характеристики МОП-транзистора со встроенным каналом

Если при U_зи = 0 между стоком и истоком приложить напряжение, то через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов. При подаче на затвор отрицательного напряжения относительно истока в канале создается поперечное электрическое поле, выталкивающее из канала электроны проводимости. Чем больше это напряжение, тем меньше ток. Этот режим транзистора называют режимом обеднения. 

Если же подавать на затвор положительное смещение, то под действием электрического поля из областей истока и стока, а также из подложки в канал будут приходить дополнительные электроны и ток стока возрастет. Этот режим называют режимом обогащения.

Другим типом МОП-транзистора является транзистор с индуцированным каналом (рис. 4.6.) От транзистора со встроенным каналом он отличается тем, что канал возникает только при приложении на затвор напряжения определенной полярности.

Рис.3.6. Структура МДП-транзистора с индуцированным n-каналом

 

Его выходные и передаточные вольт-амперные характеристики показаны на рис. 4.7, а, б.

Рис.3.7. Выходные (а) и передаточные (б) характеристики МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа

При отсутствии напряжения канала нет, между истоком и стоком расположен только кристалл p-типа и на одном из p–n+-переходов действует обратное напряжение. Если подать на затвор положительное напряжение, то под влиянием электрического поля электроны проводимости будут перемещаться из областей истока и стока и из подложки к затвору. 

Когда напряжение затвора превысит некоторое пороговое значение U_пор (единицы вольт), то в приповерхностном слое концентрация электронов превысит концентрацию дырок, произойдет так называемая инверсия типа электропроводности, т. е. образуется тонкий канал n-типа и транзистор начнет проводить ток. Таким образом, подобный транзистор может работать только в режиме обогащения. Поскольку входной ток МДП-транзисторов ничтожно мал, а выходной ток может быть большим, то получается значительное усиление по мощности.

Основные параметры МОП-транзисторов аналогичны параметрам полевых транзисторов с управляющим p–n-переходом. 

Условные обозначения рассмотренных разновидностей полевых транзисторов на электрических схемах приведены на рис. 4.8.

Рис.3. 8. Условные обозначения различных типов полевых транзисторов (И – исток, С – сток, З – затвор): 1, 2 – транзисторы с управляющим p–n-переходом (1 – с n-каналом, 2 – с p-каналом), 3, 4 – МОП-транзисторы со встроенным каналом (3 – с n-каналом, 4 – с p-каналом), 5,6 – МОП-транзисторы с индуцированным каналом (5 – с n-каналом, 6 – с p-каналом), 7, 8 – транзисторы с барьером Шоттки (7 – с n-каналом, 8 – с p-каналом)