Полевые транзисторы с изолированным затвором

Схематическое изображение такого прибора с технологически встроенным каналом n-типа приведено на рис. 4.28. Проводящий канал сток-исток изолирован от цепи управления (затвора) слоем диэлектрика, а от подложки – обедненным слоем p-n-перехода.

Управление током стока происходит за счет модуляции ширины канала под диэлектриком из-за изменения знака и величины управляющего напряжения затвор-исток. По сочетанию металл (контакт затвора) – диэлектрик-полупроводник (проводящий канал), такие транзисторы получили название МДП-транзисторов. Поскольку технологически диэлектрик получается путем окисления поверхности кремниевого материала канала (SiO₂), то иногда фигурирует название МОП-транзисторы.

В очень упрощенном виде изменение ширины проводящего канала под воздействием управляющего напряжения можно рассматривать как индукцию зарядов на противоположных пластинах конденсатора затвор-диэлектрик-полупроводник. На рис. 4.28 показан вариант увеличения (обогащения) исходного канала при положительном значении Е_зи.

Подавая отрицательное напряжение на затвор, можно уменьшить ширину канала (обеднить). В результате имеем функциональную зависимость, аналогичную (4.12). Отличием является то, что в статическом состоянии ток затвора равен нулю, что обеспечивает огромное входное сопротивление на постоянном токе. Являясь полезным фактором (нулевая мощность управления на постоянном токе), большое входное сопротивление может привести к такому неприятному явлению, как пробой диэлектрика под воздействием статического потенциала, имеющегося, например, на теле человека и составляющего единицы киловольт. Это обстоятельство требует специальных мер предосторожности при обращении с МДП-приборами: «заземления» рук оператора-монтажника, жала паяльника и т. д.

Если технологически канал не встроен (рис. 4.29), то его можно образовать (обогатить) за счет индукции зарядов под диэлектриком. Поскольку канал появляется за счет индукции зарядов, то такой прибор называется МДП-транзистор с индуцированным каналом или МДП-транзистор с обогащением канала.

а б в

Рис. 4.29. Схематическое изображение МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа: а – при нулевом; б – положительном напряжении на затворе;
в – графическое изображение

Промышленностью выпускаются полевые транзисторы с изолированным затвором с встроенным и индуцированным каналом р-типа. Их графическое изображение приведено на рис. 4.30.

Эти транзисторы обладают такими же свойствами, как и n-канальные, только напряжения U_зи, U_си имеют противоположные знаки. Статические проходные и выходные характеристики полевых транзисторов с каналом n- и р-типа приведены на рис. 4.31, 4.32 соответственно. Пара полевых транзисторов с каналом n- и р-типа, имеющие одинаковые характеристики, называется комплементарной.

а б

Рис. 4.31. Проходные ВАХ МДП-транзистора:
а – со встроенным; б – индуцированным каналом n- и р-типа

а б

Рис. 4.32. Выходные ВАХ МДП-транзистора:
а – со встроенным; б – индуцированным каналом n-типа

Рис. 4.33. Работа шунтирующего диода сток-подложка при коммутации индуктивной нагрузки

Подложка очень часто технологически соединяется с истоком, что приводит к появлению шунтирующего диода, который оказывается полезным при работе в режиме ключа на индуктивную нагрузку, предотвращая разрыв тока в индуктивности при размыкании ключа, что могло бы привести к образованию огромного скачка ЭДС самоиндукции и электрическому разрушению прибора (рис. 4.33).

С другой стороны, наличие шунтирующего диода приведет к неуправляемости МДП-транзистора при знакопеременном напряжении U_си (ключ переменного тока). Для сохранения управляемости в этом случае необходимо применить схему, изображенную на рис. 4.34.

Рис. 4.34. Схема ключа переменного тока на МДП-транзисторах

Здесь протекание сквозного тока от источника U_сичерез встречно включенные диоды исключается при любой полярности, что определяет состояние ключа (замкнут-разомкнут) только знаком и величиной управляющего напряжения. Если подложка имеет внешний вывод, то, задавая на него напряжение, обеспечивающее запирание шунтирующего диода при любом значении U_си, можно также сохранить управляемость при знакопеременном напряжении сток-исток.

Очень важным свойством МДП-транзисторов является положительный температурный коэффициент сопротивления канала, что приводит к автоматическому выравниванию токов через параллельно соединенные транзисторы. Это делает возможным создание МДП-структур с ничтожно малыми сопротивлениями канала (10^–3 Ом).