Полевые транзисторы

В полупроводниковой электронике наряду с биполярными транзисторами находят применение транзисторы, управляемые электрическим полем, одной из положительных особенностей которых является большое входное сопротивление (составляет 1 … 10 МОм и более). Такие транзисторы получили название полевых (униполярных).

1.5.1 Устройство и принцип действия

Полевымитранзисторами называют полупроводниковые приборы, в которых создание электрического тока обусловлено перемещением носителей заряда одного знака под действием продольного электрического поля, а управление выходным током основано на модуляции сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем.

Принцип работы полевых транзисторов может быть основан:

- на зависимости сопротивления полупроводника от сечения его проводящей области (чем меньше сечение – тем меньше ток; реализован в полевых транзисторах с управляющим р-п-переходом);

- на зависимости проводимости полупроводника от концентрации основных носителей (реализован в полевых транзисторах с изолированным затвором структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзисторы)).

Полевой транзистор с управляющим р-п-переходом(ПТУП) представляет собой тонкую полупроводниковую пластину с одним р-п-переходом и с невыпрямляющими контактами по краям. Электропроводность материала пластины может быть п-типа или р-типа. В качестве примера рассмотрим транзистор, у которого основная пластина состоит из полупроводника n-типа (рисунок 1.32).

Рисунок 1.32 – Структура полевого транзистора с управляющим р-п-переходом

Основными областями в структуре полевого транзистора с управляющим р-п-переходомявляются:

- область истока – область, от которой начинают перемещение носители зарядов;

- область стока – область, к которой перемещаются носители;

- область затвора – область, с помощью которой осуществляется управление потоком носителей;

- область канала – область, через которую перемещаются носители.

Выводы от соответствующих областей транзистора имеют аналогичные названия: исток (И), сток (С) и затвор (3) (рисунок 1.32).

На рисунке 1.33 показаны условные графические обозначения полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом: с каналом п-типа (рисунок 1.33, а) и каналом р-типа (рисунок 1.33, б).

а б

Рисунок 1.33 – УГО полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом

Рассмотрим принцип функционирования ПТУП. Источники напряжения подключают к транзистору таким образом, чтобы между электродами стока и истока протекал электрический ток, а напряжение, приложенное к затвору, смещало электронно-дырочный переход в обратном направлении.

На рисунке 1.34 показан способ подключения источников напряжения к выводам ПТУП с каналом п-типа.

Рисунок 1.34 – Подключение источников напряжения к выводам ПТУП

Под действием напряжения источника Е_СИ электроны будут перемещаться от истока к стоку, обеспечивая во внешней цепи ток стока I_C.

Концентрации носителей зарядов в полупроводниковом материале канала и затвора выбраны таким образом, что при подаче обратносмещающего напряжения между затвором и истоком р-п-переход будет расширяться в область канала. Это приводит к уменьшению площади поперечного сечения проводящей части канала и, следовательно, к уменьшению тока стока I_C.

Сопротивление области, расположенной под электрическим переходом, в общем случае зависит от напряжения на затворе. Это обусловлено тем, что размеры перехода увеличиваются с повышением приложенного к нему обратного напряжения, а увеличение области, обедненной носителями заряда, приводит к повышению электрического сопротивления канала (и, соответственно, к уменьшению тока, протекающего в канале).

Таким образом, работа полевого транзистора с управляющим p-n-переходом основана на изменении сопротивления канала за счет изменения размеров области, обедненной основными носителями заряда,которое происходит под действием приложенного к затвору обратного напряжения.

Напряжение между затвором и истоком, при котором канал полностью перекрывается и ток стока достигает минимального значения (I_C » 0), называют напряжением отсечки (U_отс) полевого транзистора.

В отличие от ПТУП, у которых затвор имеет электрический контакт с каналом, в полевых транзисторах с изолированным затвором (ПТИЗ) затвор представляет собой тонкую пленку металла, изолированного от полупроводника. В зависимости от вида изоляции различают МДП- и МОП-транзисторы (соответственно, металл – диэлектрик – полупроводник и металл – оксид – полупроводник, например двуокись кремния SiO₂).

В исходном состоянии канал ПТИЗ может быть обеднен носителями зарядов или обогащен ими. В зависимости от этого различают два типа полевых транзисторов с изолированным затвором: МДП-транзисторы со встроенным каналом (рисунок 1.35, а) (канал создается при изготовлении) и МДП-транзисторы с индуцированным каналом (рисунок 1.35, б) (канал возникает под действием напряжения, приложенного к управляющим электродам). В ПТИЗ имеется дополнительный вывод от кристалла, на котором выполнен прибор (рисунок 1.35), называемого подложкой.

а б

Рисунок 1.35 – Устройство полевых транзисторов с изолированным затвором

В ПТИЗ электроды стока и истока располагаются по обе стороны от затвора и имеют непосредственный контакт с полупроводниковым каналом.

Канал называется встроенным, если он изначально обогащен носителями заряда. В этом случае управляющее электрическое поле будет приводить к обеднению канала носителями зарядов. Если канал изначально обеднен носителями электрических зарядов, то он называется индуцированным. При этом управляющее электрическое поле (между затвором и истоком) будет обогащать канал носителями электрических зарядов (то есть, повышать его проводимость).

Проводимость канала может быть электронной или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то он называется п-каналом. Каналы с дырочной проводимостью называются р-каналами. В результате этого различают четыре типа полевых транзисторов с изолированным затвором: с каналом п- либо р-типов, каждый из которых может иметь индуцированный или встроенный канал. Условные графические обозначения названных типов полевых транзисторов представлены на рисунке 1.36.

Управляющее напряжение в ПТИЗ можно подавать как между затвором и подложкой, так и независимо на подложку и затвор. Рассмотрим в качестве примера принцип управления током в полевых транзисторах, структуры которых показаны на рисунке 1.35.

Рисунок 1.36 – УГО полевых транзисторов с изолированным затвором

Если на затвор подать положительное напряжение, то под влиянием образующегося электрического поля у поверхности полупроводника (рисунок 1.35, б) появляется канал п-типа за счет отталкивания дырок от поверхности в глубь полупроводника. В транзисторе со встроенным каналом (рисунок 1.35, а) происходит расширение уже имеющегося канала при подаче положительного напряжения или сужение – при подаче отрицательного. Изменение управляющего напряжения меняет ширину канала и, соответственно, сопротивление и ток транзистора.

Существенным преимуществом ПТИЗ перед ПТУП является высокое входное сопротивление, достигающее значений 10¹⁰ – 10¹⁴ Ом (у транзисторов с управляющим р-п-переходом – 10⁷ – 10⁹ Ом).

Важным преимуществом полевых транзисторов перед биполярными является малое падение напряжения на них при коммутации слабых сигналов. Кроме этого следует выделить такие достоинства, как:

- высокое входное сопротивление;

- малые шумы;

- простота изготовления;

- отсутствие в открытом состоянии остаточного напряжения между истоком и стоком открытого транзистора.

1.5.2 Вольт-амперные характеристики и основные параметры полевых

транзисторов

Из рассмотренного ранее следует, что всего существует шесть типов полевых транзисторов. Их типовые передаточные характеристики приведены на рисунке 1.37. Пользуясь этими характеристиками, можно установить полярность управляющего напряжения, направление тока в канале и диапазон изменения управляющего напряжения. Из всех приведенных разновидностей транзисторов в настоящее время не выпускаются только ПТИЗ со встроенным каналом р-типа.

Рисунок 1.37 – Передаточные характеристики полевых транзисторов

Рассмотрим некоторые особенности этих характеристик. Все характеристики полевых транзисторов с каналом п-типа расположены в верхней половине графика и, следовательно, имеют положительный ток, что соответствует положительному напряжению на стоке. Наоборот, все характеристики приборов с каналом р-типа расположены в нижней половине графика и, следовательно, имеют отрицательное значение тока и отрицательное напряжение на стоке. Характеристики ПТУП при нулевом напряжении на затворе имеют максимальное значение тока, которое называется начальным I_{С нач}. При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки U_отс становится близким к нулю.

Характеристики ПТИЗ с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах происходит при напряжении на затворе больше порогового значения U_пор. Увеличение напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока.

Характеристики ПТИЗ со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют начальное значение тока I_С._нач. Такие транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. При увеличении напряжения на затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижается.

На рисунке 1.38 приведены выходные вольт-амперные характеристики ПТУП с каналом n-типа. Характеристики других типов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных напряжений.

Рисунок 1.38 – Выходные ВАХ ПТУП

На ВАХ полевого транзистора можно выделить две области: линейную и насыщения.

В линейной области ВАХ вплоть до точки перегиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе. В области насыщения вольт-амперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о независимости тока стока от напряжения на стоке. В этой области выходные характеристики полевых транзисторов всех типов сходны с характеристиками электровакуумных пентодов. Особенности этих характеристик обуславливают применение полевых транзисторов. В линейной области полевой транзистор используется как сопротивление, управляемое напряжением на затворе, а в области насыщения – как усилительный элемент.

Максимальное напряжение, прикладываемое между стоком и истоком полевого транзистора, для каждого типа транзисторов различно. Но в общем случае, как показано на рисунке 1.39, при превышении некоторого значения U_{СИ проб} резко возрастает ток стока, что может привести к выходу из строя транзистора в результате пробоя.

Рисунок 1.39 – Семейство выходных ВАХ полевого транзистора

К основным параметрам полевых транзисторов относятся:

- крутизна стокозатворной характеристики

. (1.28)

Типовые значения: S = 0,1 … 500 мА/В;

- крутизна характеристики по подложке

. (1.29)

Типовые значения: S_п = 0,1 … 1 мА/В;

- начальный ток стока I_{С нач} – ток стока при нулевом напряжении U_ЗИ.

У транзисторов с управляющим р-п-переходом I_{C нач} = 0,2 … 600 мА, со встроенным каналом – I_{С нач} = 0,1 … 100 мА, с индуцированным каналом – I_{С нач} = 0,01 … 0,5 мкА;

- напряжение отсечки U_{ЗИ отс} (типовые значения U_{ЗИ отс} = 0,2 … 10 В);

- сопротивление сток – исток в открытом состоянии R_{СИ отк} (типовые значения R_{СИ отк} = 2 … 300 Ом);

- остаточный ток стока I_{С ост} – ток стока при напряжении U_{ЗИ отс} (I_{С ост} = 0,001 … 10 мА);

- максимальная частота усиления f_p – частота, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице (типовые значения f_p – десятки – сотни МГц).