Полевые транзисторы с управляющим - переходом

Полевой транзистор с управляющим - переходом, структура его показана на рис.5, состоит из канала (в данном случае - типа), окруженного сильно легированным полупроводником - типа, который является затвором.

Рис 5. Структура полевого транзистора с управляющим - переходом

От канала сделаны два вывода: исток и сток. Электронно-дырочный переход между затвором и каналом несимметричный и поэтому расположен, в основном, в зоне канала. Принцип действия транзистора заключается в управлении проводимостью канала, за счет изменения его проводящего сечения. Полярность напряжения, подводимого к затвору , выбирается так, чтобы - переход между каналом и затвором был смещен в обратном направлении. Это приводит к увеличению ширины - перехода, в основном, за счет высокоомного слоя, таким образом, проводящее сечение канала уменьшится.

Свойства полевого транзистора отображаются семействами выходной и управляющей характеристик, которые имеют следующий вид (рис.6).

Рис.6. Выходная (а) и управляющая (b) характеристики полевого транзистора с управляющим - переходом

Рассмотрим выходную характеристику , при . Начальный участок носит линейный характер, по мере роста канал постепенно сужается и приобретает коническую форму за счет падения напряжения на канале, что ведет к замедлению роста тока. При некотором значении напряжения ток достигает тока насыщения, и дальнейшее увеличение тока не происходит, т.к. одновременно с ростом напряжения происходит увеличение сопротивления канала. Если к затвору относительно истока приложить отрицательное напряжение (с учетом знака), то эффект насыщения наступит при меньшем значении напряжения . На характеристиках выделяют область I, где характеристика имеет крутой спад. В этой области транзистор ведет себя как регулируемый резистор. Правее, в области II, ток стока мало зависит от напряжения , транзистор является регулируемым источником тока.

Рассмотрим управляющую характеристику при . Обычно, эта характеристика соответствует режиму насыщения, в котором ток мало зависит от напряжения . Физически изменение тока при изменении напряжения обусловлено изменением сечения канала, чем больше отрицательное напряжение, тем тоньше канал, меньше его проводимость и, соответственно, ток. При некотором напряжении ток , следовательно, весь канал будет занят непроводящим слоем, - переходом.

Управляющая и выходные характеристики взаимосвязаны. Располагая семейством выходных характеристик, легко построить управляющую характеристику путем переноса соответствующих точек из одной системы координат в другую, как это показано на рис.6.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

Полевые транзисторы с изолированным затвором имеют затвор, выполненный в виде металлической пленки, изолированной от канала тонким слоем диэлектрика, в качестве которого используется двуоксид кремния. Такие транзисторы имеют структуру металл - оксид - полупроводник (МОП). Существуют две разновидности МОП – транзисторов: со встроенным каналом и с индуцированным каналом

В МОП – транзисторах со встроенным каналом (у поверхности полупроводника под затвором) существует слой, который соединяет области истока и стока.

В МОП - транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал между истоком и стоком появляется только при определенных полярности и величине напряжения на затворе.

МОП – транзисторы со встроенным каналом

Устройство транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом показано на рис.7.

Рис. 7. МОП – транзистор со встроенным каналом

На подложке - типа создается сильно легированная область - типа, соединяющая выводы: сток (С) и исток (И). Канал изолирован от металлического затвора тонким слоем диэлектрика. Подложка обычно внутри электронного прибора соединяется с истоком. При подаче на затвор отрицательного напряжения создается поперечное электрическое поле, вытесняющее основные носители заряда - электроны в подложку, в результате чего проводимость канала уменьшается. Такой режим работы называется режимом обеднения. При подаче на затвор положительного напряжения электроны втягиваются в канал, их концентрация в канале увеличивается и, как следствие, проводимость канала увеличивается. Такой режим называется режимом обогащения.

Статические характеристики: семейство выходных и характеристика управления показаны на рис.8.

Семейство выходных характеристик при различных напряжениях внешне похоже на выходные статические характеристики транзистора с управляющим - переходом. Основное отличие состоит в том, что на затвор можно подавать как положительное, так и отрицательное напряжение.

Рис .8. Статические характеристики МОП – транзистора

со встроенным каналом

(а - семейство выходных характеристик, b – характеристика управления)

МОП - транзисторы с индуцированным каналом

Принципиальной особенностью транзистора с индуцированным каналом является отсутствие последнего без внешних электрических воздействий. Структура транзистора такого типа приведена на рис.9.

Рис. 9. Структура МОП – транзистора с индуцированным каналом

Исток и сток изолированы друг от друга «диодной развязкой». При любой полярности напряжения между стоком и истоком один из - переходов будет находиться в непроводящем состоянии, под обратным напряжением.

Для того, чтобы создать канал, необходимо к затвору относительно подложки приложить положительное напряжение, тогда под действием поперечного поля электроны из подложки будут перемещаться в направлении затвора и скапливаться в подзатворной области. В результате образуется тонкий слой инверсной проводимости. В данном случае слой - типа, который и будет являться индуцированным каналом. При увеличении напряжения концентрация носителей заряда в канале увеличивается, что приводит к увеличению проводимости. Эта зависимость легко прослеживается при анализе статических выходных и характеристики управления транзистора с индуцированным каналом (рис.10).

Рис. 10. Статические характеристики МОП – транзистора

с индуцированным каналом

( a – семейство выходных характеристик; b – характеристика управления)

Из характеристик видно, что МОП – транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения . Для создания заметного тока , это напряжение необходимо для того, чтобы в подложке - типа, за счет энергии поля появились дополнительные неосновные носители, которые создают индуцированный канал.

Все рассмотренные выше полевые транзисторы были - канальными, их условные графические отображения показаны на рис.11.

Рис. 11. Условные графические отображения - канальных

полевых транзисторов

(а – с управляющим - переходом, b – cо встроенным каналом,

с – с индуцированным каналом)

Существуют, хотя и в меньшей степени распространены - канальные транзисторы, действие которых связано с движением дырок в канале. Они имеют аналогичные характеристики, отличаются полярностью приложенных напряжений, а также имеют несколько худшие частотные характеристики, т.к. подвижность дырок меньше подвижности электронов. Их условные графические отображения показаны на рис. 12.

Рис. 12. Условные графические отображения - канальных

полевых транзисторов

(а – с управляющим - переходом, b – cо встроенным каналом,

с – с индуцированным каналом)