ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевые транзисторы - это полупроводниковые приборы, работа которых основана на модуляции сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем.

Полевые транзисторы бывают двух видов: с управляющим р-n-переходом и со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзисторы).

Транзистор с управляющим р-n-переходом (рис. 1.30) - это трехполюсный прибор, электроды которого называют соответственно истоком, стоком, затвором. Конструктивно он представляет собой р-n-переход, смещенный в обратном направлении. Вдоль базы транзистора, называемой каналом, между электродами стока и истока протекает ток основных носителей.

Истоком называют электрод, от которого начинают движение основные носители заряда в канале.

Стоком называют электрод, к которому движутся основные носители заряда. Электрод, к которому прикладывается управляющее напряжение, называют затвором.

Работа полевого транзистора с управляющим р-n-переходом основана на изменении сопротивления канала за счет изменения ширины области р-n-перехода, обедненной носителями заряда, которое происходит под действием обратного напряжения, приложенного к нему. Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим р-n-переходом приведена на рис. 1.30, а. Условные обозначения даны на рис.1.30,б,в, а структуры выпускаемых промышленностью полевых транзисторов - на рис. 1.30, г, д, е.

Если в пластинке полупроводника, например n-типа, созданы зоны с электропроводностью р-типа, то при подаче на электрически соединенные слои р-типа и полупроводник n-типа напряжения, смещающего переходы в обратном направлении, образуются области, обедненные основными носителями заряда. Сопротивление полупроводника между электродами истока и стока увеличивается, так как ток проходит только по узкому каналу между переходами. Изменение напряжения затвор—исток приводит к изменению размеров зоны объемного заряда (размеров р-n-перехода), т. е. к изменению сопротивления. Канал может быть почти полностью перекрыт и тогда сопротивление между истоком и стоком будет очень высоким (единицы—десятки МОм).

Напряжение между затвором и истоком, при котором ток стока достигает заданного низкого значения ( 0), называют напряжением отсечки полевого транзистора . Строго говоря, при напряжении отсечки транзистор должен закрываться полностью, но наличие утечек и сложность измерения особо малых токов заставляют считать напряжением отсечки то напряжение, при котором ток достигает определенного малого значения. Поэтому в технических условиях на транзистор указывают, при каком токе стока произведено измерение .

Ширина p-n-перехода зависит также от тока, протекающего через канал. Если , то ток , протекающий через транзистор, создаст по длине последнего падение напряжения, которое оказывается запирающим для перехода затвор-канал. Это приводит к увеличению ширины р-n-перехода и соответственно к уменьшению сечения и проводимости канала. Причем ширина р-n-перехода увеличивается по мере приближения к области стока (рис. 1.30, а), где будет иметь место наибольшее падение напряжения, вызванное током на сопротивлении канала . Так, если считать, что сопротивление транзистора определяется только сопротивлением канала, то у края р-n-перехода, обращенного к истоку, будет действовать напряжение , а у края, обращенного к стоку, - напряжение . При малых значениях напряжения и малом токе транзистор ведет себя как линейное сопротивление. Увеличение приводит к почти линейному возрастанию , а уменьшение — к соответствующему уменьшению . По мере роста характеристика все сильнее отклоняется от линейной, что связано с сужением канала у стокового вывода . При определенном значении тока наступает так называемый режим насыщения (рис. 1.31, а), который характеризуется тем, что с увеличением ток меняется незначительно. Это происходит потому, что при большом напряжении канал у стока стягивается в узкую горловину и наступает своеобразное динамическое равновесие, при котором увеличение и рост тока вызывают дальнейшее сужение канала и соответственно уменьшение тока . В итоге последний остается почти постоянным. Напряжение, при котором наступает режим насыщения, называется напряжением насыщения.

Оно, как видно из рис. 1.31,а, меняется при изменении напряжения . Поскольку влияние и на ширину канала у стокового вывода практически одинаково, то

;

.

Итак, напряжение отсечки, определенное при малом напряжении , численно равно напряжению насыщения при , а напряжение насыщения при определенном напряжении на затворе равно разности напряжения отсечки и напряжения затвор-исток.

При значительном увеличении напряжения у стокового конца наблюдается пробой р-n-перехода.

В выходных характеристиках полевого транзистора можно выделить две рабочие области: ОА и АВ. Область ОА называют крутой областью характеристики; область АВ — пологой или областью насыщения. В крутой области транзистор может быть использован как омическое управляемое сопротивление. В усилительных каскадах транзистор работает на пологом участке характеристики.

Входная характеристика полевого транзистора с управляющим р-n-переходом (рис. 1.31, б) представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики р-n-перехода. Хотя ток затвора несколько меняется при изменении напряжения и достигает наибольшего значения при условии короткого замыкания выводов истока и стока (ток утечки затвора ), им в большинстве случаев можно пренебречь. Изменение напряжения не вызывает существенных изменений тока затвора, что характерно для обратного тока р-n-перехода.

При работе в пологой области вольт-амперной характеристики ток стока при заданном напряжении определяется из выражения

(1.49)

где — начальный ток стока, под которым понимают ток при и напряжении на стоке, превышающем напряжение насыщения: .

Так как управление полевым транзистором осуществляется напряжением, то для количественной оценки управляющего действия затвора используют крутизну характеристики:

(1.50)

Крутизна характеристики достигает максимального значения при . Для определения значения крутизны транзистора при любом напряжении продифференцируем выражение (1.49):

. (1.51)

При напряжении выражение (1.51) примет вид

(1.52)

Подставив (1.52) в выражение (1.51), получим

.

Таким образом, крутизна характеристики полевого транзистора уменьшается при увеличении напряжения, приложенного к его затвору.

Начальное значение крутизны характеристики можно определить графо-аналитическим способом. Для этого проведем касательную из точки к стокозатворной характеристике (рис. 1.31, в). Она отсечет на оси напряжений отрезок 0,5 . Ее наклон определит значение .

Усилительные свойства полевых транзисторов характеризуются коэффициентом усиления

, (1.53)

который связан с крутизной характеристики и внутренним сопротивлением уравнением ,

где - дифференциальное внутреннее сопротивление транзистора.

Действительно, в общем случае , и

Если при одновременном изменении и =const, то , откуда

.

Так же как и у биполярных транзисторов, у полевых транзисторов различают режимы большого и малого сигнала. Режим большого сигнала чаще всего рассчитывают с помощью входных и выходных характеристик транзистора. Для анализа режима малого сигнала широко применяют малосигнальные эквивалентные схемы (рис. 1.32, а, б, в) (транзистор с каналом р-типа). Так как сопротивления закрытых переходов , в кремниевых полевых транзисторах велики (десятки—сотни МОм), их в большинстве случаев можно не учитывать. Для практических расчетов наиболее удобна эквивалентная схема, показанная на рис. 1.32,в, хотя она значительно хуже отражает действительные физические процессы, протекающие в рассматриваемых транзисторах.

Все емкости затвора на схеме заменены одной эквивалентной емкостью , которая заряжается через усредненное эквивалентное сопротивление . Можно считать, что равно статическому сопротивлению в крутой области характеристик. - сопротивление между стоком и истоком в открытом состоянии транзистора при заданном напряжении сток—исток, меньшем напряжения насыщения. Сопротивление затвора (омическое) отражено эквивалентным сопротивлением , которое ввиду его большого значения (десятки-сотни МОм) можно не учитывать.

Типовые значения параметров кремниевых транзисторов, входящих в эквивалентную схему: = 0,3 3 мА/В; = 10¹⁰ Ом; = 0,1 1 МОм; = 50 800 Ом; = 0,2 10 пФ.

Наличие емкостей у полевого транзистора, а также конечная скорость движения носителей заряда в канале определяют наличие инерционных свойств. Инерционность транзистора в первом приближении учитывают путем введения операторной крутизны характеристики

,

где ; - предельная частота, определенная на уровне 0,7 статического значения крутизны характеристики.

При изменении температуры параметры и характеристики полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом изменяются из-за воздействия следующих факторов: изменения обратного тока закрытого р-n-перехода; изменения контактной разности потенциалов р-n-перехода; изменения удельного сопротивления канала.

Обратный ток закрытого р-n-перехода возрастает по экспоненциальному закону при увеличении температуры. Ориентировочно можно считать, что он удваивается при увеличении температуры на 6-8° С. Если в цепи затвора транзистора стоит большое внешнее сопротивление, то падение напряжения на нем, вызванное изменившимся током, может существенно изменить напряжение на затворе.

Контактная разность потенциалов уменьшается при увеличении температуры приблизительно на 2,2 мВ/град. При неизменном напряжении на затворе это приводит к увеличению тока стока. Для транзисторов с низким напряжением отсечки этот эффект является преобладающим и изменения тока стока будут иметь положительные значения.

Поскольку температурный коэффициент, характеризующий изменение удельного сопротивления канала, положителен, то ток стока при росте температуры уменьшается. Это открывает возможность правильным выбором положения рабочей точки транзистора взаимно компенсировать изменения тока , вызванные изменением контактной разности потенциалов и удельного сопротивления канала. В итоге ток стока будет почти постоянным в широком диапазоне температур.

Рабочую точку, в которой изменение тока стока с изменением температуры имеет минимальное значение, называют термостабильной точкой. Ее ориентировочное положение может быть найдено из уравнения

(1.54)

где = 0,63 В.

Видно, что при значительном крутизна характеристики в термостабильной точке невелика, и от транзистора можно получить значительно меньший коэффициент усиления, чем при работе с малым напряжением .

Современные полевые транзисторы, выполненные на основе кремниевых структур, работоспособны до температуры 120°С.

Основными преимуществами полевого транзистора с управляющим р-n-переходом являются высокое входное сопротивление, малые шумы, простота изготовления, отсутствие в открытом состоянии остаточного напряжения между истоком и стоком открытого транзистора.

МДП-транзисторы могут быть двух видов: транзисторы с встроенными каналами (канал создается при изготовлении) и транзисторы с индуцированными каналами (канал наводится под действием напряжения, приложенного к управляющим электродам).

Транзисторы первого вида могут работать как в режиме обеднения канала носителями заряда, так и в режиме обогащения. Второй вид МДП-транзисторов можно использовать только в режиме обогащения. У МДП-транзисторов в отличие от транзисторов с управляющим р-n-переходом металлический затвор изолирован от полупроводника слоем диэлектрика и имеется дополнительный вывод от кристалла, называемый подложкой, на которой выполнен прибор (рис. 1.33).

Управляющее напряжение можно подавать как между затвором и подложкой, так и независимо на подложку и на затвор. В транзисторе с индуцированным каналом под влиянием образующегося электрического поля у поверхности полупроводника появляется канал р-типа за счет отталкивания электронов от поверхности в глубь полупроводника. В транзисторе с встроенным каналом происходит расширение или сужение имевшегося
канала. Изменение управляющего напряжения меняет ширину канала и соответственно сопротивление, и ток транзистора.

Существенным преимуществом МДП-транзисторов является высокое входное сопротивление, достигающее значений 10¹⁰-10¹⁴ Ом (у транзисторов с управляющим р-n-переходом Rвх = 10⁷ 10⁹ Ом).

Рассмотрим несколько подробнее работу МДП-транзистора с индуцированным р-каналом. Пусть в качестве исходного материала транзистора использован кремний, имеющий электропроводность n-типа. Роль диэлектрической пленки выполняет двуокись кремния SiO₂. При отсутствии смещения ( ; ; ) приповерхностный слой полупроводника обычно обогащен электронами. Это объясняется наличием положительно заряженных ионов в пленке диэлектрика, что является следствием предшествующего окисления кремния и фотолитографической его обработки, а также присутствием ловушек на границе Si-SiO₂. Напомним, что ловушка представляет собой совокупность энергетических уровней, расположенных глубоко в запрещенной зоне, близко к ее середине.

Избыток электронов в приповерхностном слое приводит к искривлению энергетических зон (рис. 1.34,a), и начальный приповерхностный потенциал становится отрицательным. Металлический затвор, диэлектрик под ним и заряд приповерхностного слоя образуют плоский конденсатор, емкость которого на единицу поверхности приблизительно равна где - диэлектрическая постоянная диэлектрика; - толщина диэлектрика.

Изменение напряжения на одной из обкладок конденсатора меняет его заряд. Следовательно, заряд на противоположной обкладке, роль которой выполняет приповерхностный слой, меняется за счет изменения концентрации носителей заряда в приповерхностном слое подложки.

При подаче на затвор отрицательного напряжения электроны приповерхностного слоя отталкиваются в глубь полупроводника, а дырки движутся к поверхности. При этом энергетические зоны сначала спрямляются и концентрации носителей заряда в приповерхностном слое становятся равными их концентрациям в объеме полупроводника. Затем по мере увеличения напряжения зоны искривляются вверх. Приповерхностный потенциал становится положительным. При определенном значении энергетические уровни изогнутся насколько, что на границе поверхностей уровень Ферми и электрический потенциал, характеризующий середину запрещенной зоны, совпадут. Это говорит о том, что поверхность полупроводника приобрела собственную электропроводность, и заряд на затворе скомпенсировал заряды поверхностных донорных уровней и положительные заряды ионов, имеющихся в слое диэлектрика. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к накоплению в приповерхностном слое дырок и дальнейшему искривлению вверх энергетических уровней. Как только линия электростатического потенциала пересечет уровень Ферми, т. е. расстояние между потолком валентной зоны и уровнем Ферми станет меньше, чем расстояние между дном зоны проводимости и уровнем Ферми, приповерхностный слой приобретает дырочную электропроводность (рис. 1.34, б). У поверхности появится тонкий инверсный слой, соединяющий сток с истоком. Этот слой играет роль канала. Если между истоком и стоком приложено напряжение, то дырки, перемещаясь по каналу, создают ток стока. Путем изменения напряжения на затворе можно расширять или сужать канал и тем самым увеличивать или уменьшать ток стока.

Напряжение на затворе, при котором индуцируется канал, называют пороговым напряжением . Так как канал возникает постепенно, по мере увеличения напряжения на затворе, то для исключения неоднозначности в его определении обычно считают, что - это напряжение, при котором приповерхностный потенциал равен удвоенному потенциалу уровня Ферми.

При практическом определении обычно задается определенное значение тока стока, при превышении которого считается, что потенциал затвора достиг порогового напряжения = (0,2 1) В для транзисторов с n-каналами и (2 4) В для транзисторов с p-каналами.

По мере удаления от поверхности полупроводника концентрация индуцированных дырок уменьшается. На расстоянии, приблизительно равном толщине канала, электропроводность становится собственной. Затем идет участок, обедненный основными носителями заряда (см. рис. 1.34, б), в котором существует область положительно заряженных ионов донорной примеси. Наличие обедненного участка обусловлено также отталкиванием основных носителей заряда от поверхности в глубь полупроводника.

Таким образом, сток, исток и канал, представляющие собой рабочие области МДП-транзистора, изолированы от подложки р-n-переходом, смещенным приложенным напряжением в обратном направлении. Очевидно, что ширину р-n-перехода и ширину канала можно изменять за счет подачи на подложку дополнительного напряжения относительно электродов стока и истока транзистора. Следовательно, током стока можно управлять не только путем изменения напряжения на затворе, но и за счет изменения напряжения на подложке. В этом случае управление МДП-транзистором аналогично управлению полевым транзистором с управляющим р-n-переходом. Для образования канала на затвор должно быть подано напряжение, большее .

Толщина инверсного слоя значительно меньше толщины обедненного слоя. Если последний составляет сотни - тысячи нанометров, то толщина индуцированного канала составляет всего 1-5 нм. Другими словами, дырки индуцированного канала «прижаты» к поверхности полупроводника, поэтому структура и свойства границы полупроводник-диэлектрик играют в МДП-транзисторах очень важную роль.

Дырки, образующие канал, поступают в него не только из подложки n-типа, где их мало и генерируются они сравнительно медленно, но также и из слоев р-типа истока и стока, где их концентрация практически не ограничена, а напряженность поля вблизи этих электродов достаточно велика.

В транзисторах с встроенным каналом ток в цепи стока будет протекать и при нулевом напряжении на затворе. Для прекращения его необходимо к затвору приложить положительное напряжение (при структуре с каналом р-типа), равное или большее напряжения отсечки . При этом дырки из инверсного слоя будут практически полностью вытеснены в глубь полупроводника, и канал исчезнет. При приложении отрицательного напряжения канал расширяется, и ток снова увеличивается. Таким образом, МДП-транзисторы с встроенными каналами работают как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения.

Как и полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом, МДП-транзисторы при малых напряжениях ведут себя подобно линеаризованному сопротивлению. При увеличении напряжения ширина канала уменьшается вследствие падения на нем напряжения и изменения результирующего электрического поля. Это особенно сильно проявляется в той части канала, которая находится вблизи стока (рис. 1.35, а).

Перепады напряжения, создаваемые током , приводят к неравномерному распределению смещения на затворе вдоль канала, причем оно уменьшается по мере приближения к стоку. При напряжении канал вблизи стока становится настолько узким, что наступает динамическое равновесие, когда увеличение напряжения вызывает уменьшение ширины канала и повышение его сопротивления. В итоге ток мало меняется при дальнейшем увеличении напряжения . Эти процессы изменения ширины канала в зависимости от напряжения такие же, как и в полевых транзисторах с управляющим р-n- переходом.

Выходные характеристики МДП-транзисторов аналогичны характеристикам полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом (рис. 1.35, б, в). В них можно выделить крутую и пологую области, а также область пробоя. В крутой области I МДП-транзистор может работать как электрически управляемое сопротивление. Пологая область II обычно используется при построении усилительных каскадов. Аналитические аппроксимации вольт-амперных характеристик МДП-транзисторов достаточно сложны и мало применяются в инженерной практике. При ориентировочных оценках тока стока можно использовать уравнение

, (1.55)

где - удельная крутизна транзистора, которую можно определить из выражения: где - приповерхностная подвижность носителей (она обычно в 2-3 раза меньше объемной); – толщина диэлектрика; - его диэлектрическая проницаемость; - удельная емкость затвор – канал; Z – ширина канала; L – длина канала. Типичное значение .

Продифференцировав (1.55) по и полагая, что на участке насыщения , найдем напряжение насыщения при :

(1.56)

Подставив (1.56) в (1.55), получим уравнение, характеризующее режим насыщения:

(1.57)

Выражение (1.55) описывает крутые начальные участки ВАХ, а выражение (1.57) справедливо для пологих участков ВАХ, соответствующих режиму насыщения.

Для транзисторов с встроенным каналом можно использовать уравнения (1.55) - (1.57), если заменить на и учитывать знаки напряжений и .

Управляющее действие подложки можно учесть путем введения коэффициента влияния по подложке

(1.58)

где - крутизна характеристики по подложке, которая показывает, на сколько следовало бы изменить напряжение на затворе, чтобы при изменении напряжения подложки ток стока остался неизменным. Тогда при одновременном действии напряжений на затворе и подложке в выражения (1.55) - (1.57) вместо напряжения следует подставлять .

При использовании подложки в качестве управляющего электрода целесообразно рассматривать выходные характеристики, специально определенные при разных напряжениях на подложке (рис. 1.36, а).

По аналогии с электронными лампами иногда снимают стокозатворные характеристики, которые наглядно показывают влияние на ток стока напряжений и (рис. 1.36, б, в). Видно, что пороговое напряжение зависит от напряжения на подложке.

Инерционные свойства МДП-транзисторов зависят от скорости движения носителей заряда в канале, межэлектродных емкостей , , и значений сопротивлений, через которые эти емкости заряжаются. При этом ввиду малого времени пробега носителей заряда через канал, который обычно имеет длину 1-5 мкм, влиянием последнего обычно пренебрегают. Для облегчения расчетов эквивалентную схему МДП-транзистора, работающего в области насыщения, представляют в упрощенном виде (рис. 1.36,г). Распределенные емкости затвора на схеме заменены одной сосредоточенной емкостью , которую можно считать равной . В типовом случае составляет несколько пикофарад.

Сопротивления, через которые заряжаются емкости затвора, отражены усредненным эквивалентным сопротивлением Rк, которое ориентировочно равно статическому сопротивлению канала при напряжении .

Операторное уравнение крутизны характеристики МДП-транзисторов имеет тот же вид, что и для полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом. При этом постоянная времени .

В типовом случае при длине канала 5 мкм предельная частота, на которой крутизна характеристики уменьшается в 0,7 раз, лежит в пределах нескольких сотен мегагерц.

Температурная зависимость порогового напряжения и напряжения отсечки обусловлена изменением положения уровня Ферми, изменением объемного заряда в обедненной области и влиянием температуры на значение заряда в диэлектрике. Так как эти изменения не компенсируют друг друга, у МДП-транзисторов не существует термостабильной рабочей точки, в которой бы ток стока мало зависел от температуры.

Важным преимуществом МДП-транзисторов перед биполярными является малое падение напряжения на них при коммутации малых сигналов. Так, если в биполярных транзисторах в режиме насыщения напряжение принципиально не может быть меньше нескольких десятых долей вольт, то у МДП-транзисторов при малых токах это падение напряжения, когда транзистор работает в крутой области, мало и определяется током и сопротивлением канала :

при .

При уменьшении оно может быть сведено до значения, стремящегося к нулю.

Основные параметры полевых транзисторов:

крутизна характеристики

;

у полевых транзисторов S = 0,1 3 мА/В;

крутизна характеристики по подложке

;

статический коэффициент усиления

входное дифференциальное сопротивление

выходное дифференциальное сопротивление

Значения сопротивления обычно Ом.

Обозначения полевых транзисторов аналогичны обозначениям биполярных транзисторов, только вместо буквы Т ставится буква П. Например, КП103А, КП105Б и т, д.