Что такое полевые транзисторы

В названии этого класса полупроводниковых приборов отражен факт управления потоком основных носителей заряда, двигающихся в полупроводнике p- или n-типа (канале), посредством электрического поля. Различают полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом и полевые транзисторы с изолированным каналом. Первые часто называют просто полевые транзисторы, а вторые – МДП-транзисторы, в названии которых отражена их структура (М – металл; Д – диэлектрик; П – полупроводник).

Принцип действия полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом (полевых транзисторов) можно рассмотреть на примере структуры, показанной на рис. 1.15,а. Область полупроводника, имеющая два вывода, называется каналом, а область с повышенной концентрацией примеси, как и соответствующий вывод, называется затвором. Эти области имеют разный тип проводимости (на рис. 1.15,а изображена структура с каналом n-типа). Один из выводов канала называется истоком (соответствующая область канала является источником подвижных носителей заряда), а другой вывод – стоком (через этот вывод носители заряда вытекают из канала). Между затвором и каналом расположена обедненная подвижными носителями заряда область (p-n-переход), в основном сосредоточенная в канале, как более высокоомном, по сравнению с затвором, слое (в канале концентрация примеси гораздо меньше). Внешние источники напряжения должны подключаться к транзистору в такой полярности, чтобы p-n-переход всегда был смещен в обратном направлении, т.е. закрыт (на рис. 1.15,а обедненная область показана для случая, когда внешние напряжения равны нулю).

Если напряжение между затвором и истоком задать равным нулю, а напряжение между стоком и истоком – больше нуля, то в канале потечет ток основных носителей заряда (в данном случае – электронов), причем с увеличением будет увеличиваться и ток стока . Но если при малых значениях ток растет пропорционально напряжению , то с увеличением эта зависимость становится нелинейной (рис. 1.15,г), что объясняется увеличением сопротивления канала. Это происходит потому, что напряжение приложено не только между стоком и истоком, но и между стоком и затвором (через источник ), причем в полярности, смещающей p-n-переход в обратном направлении, в результате чего p-n-переход (а значит, и обедненная область) расширяется (в сторону канала), а канал сужается. Приращение обедненной области по длине канала будет неравномерным – оно будет наибольшим в районе стока и близким к нулю в районе истока, поскольку падение напряжения на разных участках канала под действием протекающего тока будет разным (отсчитанное от истока падение напряжения, которое прикладывается к p-n-переходу, максимально на стоке и равно нулю на истоке). При достаточно больших напряжениях ток стока может резко увеличиться, что связано с электрическим пробоем p-n-перехода.

Если при постоянном напряжении увеличивать обратное напряжение , то обедненная область p-n-перехода будет расширяться в сторону канала равномерно, что приведет к увеличению сопротивления канала и уменьшению тока стока (см. сток-затворные вольт-амперные характери­стики на рис. 1.15,д). При некотором достаточно большом напряжении (напряжении отсечки ) ток стока прекращается, поэтому стоковая характеристика (рис. 1.15,г) при пройдет по оси напряжений . Поскольку во входной цепи (цепи затвор–исток) ток практически отсутствует (большое сопротивление закрытого p-n-перехода), это позволяет управлять значительными токами выходной цепи (цепи сток–исток), по существу не затрачивая энергии входного сигнала, в чем и проявляются усилительные свойства полевого транзистора. Условные графические обозначения полевых транзисторов с каналом n- и p-типа показаны на рис. 1.15,б и в.

Полевые транзисторы с изолированным каналом (МДП-транзис-торы) подразделяются на транзисторы со встро­енным и индуцированным каналом. Структура МДП-транзистора со встроенным каналом представляет собой подложку из полупроводника p- или n-типа, в которую встраивается канал в виде полупроводника другого типа проводимости (на рис. 1.16,а канал n-типа). Полупроводниковый канал отделен от металлического затвора (З) тонким слоем диэлектрика, в качестве которого (в случае кремниевой подложки) чаще всего используется двуокись (окисел) кремния (отсюда еще одно название МДП-транзисторов – МОП-транзисторы). К каналу через области с повышенной концентрацией примеси (на рис. 1.16,а области ) подсоединяются металлические выводы, называемые, как и соответствующие области канала, стоком (С) и истоком (И). Полупроводниковая подложка (чаще всего кремний), изолированная от внешней среды диэлектриком ( ), также имеет металлический вывод (П), который непосредственно или через дополнительный источник напряжения и элементы схемы соединяется с истоком для того, чтобы p-n-переход между каналом и подложкой был закрыт. Это обеспечивает изоляцию канала от подложки при нормальной полярности напряжения (рис. 1.16,а).

У МДП-транзисторов со встроенным каналом нелинейность стоковых характеристик (рис. 1.16,г) объясняется тем, что при увеличении напряжения источника , подсоединенного одним своим зажимом к стоку, а другим к затвору (через источник ), подвижные носители заряда вытесняются из области канала, расположенной под затвором, в области с повышенной концентрацией примеси ( на рис. 1.16,а), что приводит к увеличению сопротивления канала. Происходящее при этом обеднение канала подвижными носителями заряда, как и в случае транзистора с управляющим p-n-переходом, будет по длине канала неравномерным (наибольшим у стока). Повышение по модулю напряжения между затвором и истоком , при указанной на рис. 1.16,а полярности, также приводит к обеднению канала, но только равномерному по длине канала (без учета областей ), поэтому стоковые характеристики при пройдут ниже относительно характеристики, снятой при (рис. 1.16,г).

МДП-транзисторы со встроенным каналом могут работать и в режиме обогащения при другой (по сравнению с показанной на рис. 1.16,а) полярности напряжения . В этом режиме основные носители заряда (в данном случае электроны) под действием поля затвора будут втягиваться в канал из областей ( в случае подложки n-типа), тем самым обогащая канал подвижными носителями заряда (которых в канале при сравнительно немного), поэтому стоковые характеристики в режиме обогащения расположатся выше характеристики, снятой при . Сток-затвор­ные вольт-ам­пер­ные характеристики (рис. 1.16,д) могут быть построены по данным стоковых характеристик (рис. 1.16,г), для чего необходимо при выбранных значениях провести прямые, параллельные оси токов, и отметить точки пересечения указанных прямых со стоковыми характеристиками. Поскольку у МДП-транзисторов канал от затвора изолирован диэлектриком, входное сопротивление (сопротивление участка затвор–исток) таких транзисторов очень велико. У МДП-тран­зи­сторов с каналом p-типа (условное графическое обозначение показано на рис. 1.16,в) полярности напряжений и противоположны тем, что присущи транзисторам с каналом n-типа, но стоковые характеристики транзисторов с p-каналом, как и транзисторов с n-кана­лом, принято изображать в первом квадранте.

Отличительной особенностью МДП-транзисторов с индуцированным каналом является отсутствие встроенного канала (рис. 1.17,а), поэтому у них стоковый ток равен нулю не только при нулевом или отрицательном (в случае p-подложки) напряжении на затворе, но и при небольших положительных напряжениях, поскольку на пути между стоком и истоком находятся два встречно-включен­ных p-n-перехода. Только при напряжении , превышающем пороговое напряжение , в той части подложки, которая расположена не­по­средственно под затвором, наводится (индуцируется) канал, который образуется из втянутых полем затвора неосновных носителей заряда (одновременно из указанной области подложки полем затвора вытесняются основные носители заряда). Чтобы облегчить образование канала и улучшить его управляемость, подложку МДП-транзистора делают из полупроводника с низкой концентрацией примеси. При увеличении напряжения канал обогащается подвижными носителями заряда, и ток стока увеличивается (рис. 1.17,д). Механизм действия напряжения , обусловливающий форму стоковых характери­стик МДП-транзисторов с индуцированным каналом (рис. 1.17,г), примерно такой же, как и у транзисторов со встроенным каналом. Условное графиче­ское обозначение МДП-транзи­сто­ров с индуцированным n-каналом пока­зано на рис. 1.17,б, а с p-каналом – на рис. 1.17,в. МДП-транзисторы с индуцированным каналом применяются гораздо шире по сравнению с транзисторами со встроенным каналом, что вызвано, в первую очередь, отсутствием у них тока стока при нулевом напряжении на затворе.

Стоковые характеристики, приведенные на рис. 1.15,г – 1.17,г, сняты при напряжениях , меньших напряжения электрического пробоя, и при таких токах стока, когда мощность, рассеиваемая транзистором в виде тепла, меньше допустимой мощности, выше которой возможен тепловой пробой.

Существует разновидность МДП-транзисторов с индуцированным каналом – МНОП-транзисторы, у которых между пленкой двуокиси кремния (О) и металлическим затвором (М) помещен слой еще одного диэлектрика – нитрида кремния (Н). Характерной особенностью таких транзисторов является то, что у них путем подачи на затвор импульса напряжения определенной полярности можно установить низкий или высокий уровень порогового напряжения (например, 3 или 15 вольт). Это связано с тем, что под действием импульсного напряжения определенной амплитуды на границе между нитридом кремния и двуокисью кремния происходит накопление зарядов, которые могут сохраняться в течение нескольких лет.

Относительно малых приращений напряжений, вызванных действием источника входного сигнала, транзистор можно рассматривать как линейный элемент электрической цепи и представлять в виде малосигнальной эквивалентной схемы. Эквивалентные схемы подразделяются на два класса: схемы замещения и моделирующие схемы. Схема замещения составляется на основе уравнений эквивалентного четырехполюсника, а моделирующая схема – путем моделирования физических процессов в транзисторе.

В моделирующей эквивалентной схеме полевого тран­зистора, приведенной на рис. 1.18, не показаны сопротивления между затвором и каналом, что оправданно, поскольку их значения очень большие: 10⁶…10⁹ Ом у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом и 10¹²…10¹⁴ Ом у МДП-транзисторов. Все элементы моделирующей схемы – дифференциальные, т.е. определенные для приращений токов и напряжений, обозначенных в схеме строчными буквами. Источник тока, действующий в выходной цепи, управляется входным напряжением , причем эффективность управления отображается параметром “крутизна”, показывающим насколько изменится ток стока при изменении напряжения и постоянном напряжении :

.

Типовые значения крутизны полевых транзисторов – 1…25 мА/В.

Внутреннее сопротивление

на начальных линейных участках стоковых характеристик (при малых напряжениях ) моделирует сопротивление материала канала, а на пологих участках – еще и процесс обеднения канала под действием (в этом режиме у различных типов транзисторов ). Внутреннее сопротивление и крутизну s в рабочей точке (т.е. при заданных значениях , и ) можно вычислить, определив соответствующие приращения на графиках стоковых и сток-затворных ВАХ. Емкости и моделируют барьерную емкость закрытого p-n-перехода между затвором и каналом (у транзисторов с управляющим p-n-переходом) или емкость плоского конденсатора, образованного металлическим затвором и полупроводниковым каналом (у МДП-транзисторов); у маломощных транзисторов Емкость полевых транзисторов, включая и транзисторы с управляющим p-n-переходом, является барьерной емкостью закрытого p-n-перехода между стоком и подложкой; она обычно меньше емкостей и .