5.2. Полевые транзисторы и их применение

5.2.1. Классификация и общие особенности полевых транзисторов

Работа полевых транзисторов (ПТ) основана на использовании носителей только одного знака (электронов или дырок), поэтому такие транзисторы иногда называют униполярными. В отличие от БТ, процессы инжекции и диффузии в ПТ отсутствуют, а основным способом движения является дрейф – движение носителей под действием электрического поля. Чтобы управлять током в полупроводнике при постоянном электрическом поле, нужно менять либо удельную проводимость  полупроводникового слоя, либо его площадь А. На практике используются оба способа, в основе которых лежит так называемый эффект поля. Отсюда второе название – полевые транзисторы. На рис. 5.18 показана структура ПТ, из которой ясно видны основные особенности. Во-первых, направление управляющего напряжения (и соответственно электрического поля) U_у перпендикулярно основному напряжению U, действие которого создает электрический ток I в полупроводнике. Во-вторых, электрическая цепь управляющего напряжения гальванически (по постоянному току) не связана с основной цепью. Проводящий слой, по которому проходит рабочий ток, называют каналом. Таким образом, третье название ПТ – канальные транзисторы.

Каналы могут быть приповерхностными и объемными. Транзисторы с приповерхностным каналом имеют классическую структуру металл - диэлектрик - полупроводник, поэтому их называют МДП-транзисторами (МДПТ). В частном случае, когда диэлектриком является окисел, например двуокись кремния SiO₂, используется название МОП-транзисторы (МОПТ). В зависимости от типа приповерхностного канала различают МДПТ со встроенным и индуцированным каналами.

Транзисторы с объемным каналом характерны тем, что в качестве изолирующего слоя, отделяющего цепь управления от канала, используется обедненный слой обратносмещенного p-n–перехода.

Рис. 5.18. Структура полевого транзистора

Условимся термином полевые транзисторы (ПТ) называть транзисторы с управляющим p-n–переходом, а все остальные – МДП-транзисторами. На рис. 5.19 изображены структуры ПТ и МДПТ с индуцированным каналом. Во всех структурах управляющий металлический электрод, создающий эффект поля, называется затвором (З). Два других электрода называют стоком (С) и истоком (И). Эти электроды в принципе обратимы. Стоком является тот электрод, на который (при соответствующей полярности напряжения) поступают рабочие носители заряда. Если канал n-типа, то рабочими носителями являются электроны и полярность стока положительная. Исток обычно соединяют с основной пластиной полупроводника, которую называют подложкой.

Рис. 5.19. Устройство полевого и МДП-транзисторов

5.2.2. Статические характеристики и дифференциальные параметры

Статические характеристики описывают работу униполярных транзисторов на постоянном токе. К этим характеристикам относят: а) управляющую (проходную) и б) выходную (стоковую). Управляющая характеристика представляет зависимость тока стока от напряжения затвор – исток I_c = f(U_зи). Выходная характеристика представляет зависимость тока стока от напряжения сток - исток I_c = f(U_си). На рис. 5.20 показаны управляющие характеристики МДПТ с индуцированными n- и p-каналами, а также условное обозначение подобных транзисторов.

Рис. 5.20. Управляющая ВАХ МДПТ Рис. 5.21. Управляющая ВАХ ПТ

Эти характеристики обладают пороговыми свойствами: ток в канале I_c появляется при достижении управляющим напряжением некоторого порогового значения U_п. Дальнейший рост тока стока подчиняется квадратичной зависимости вида

I_c = I_cн(U_зи/U_п – 1)², (5.14)

где I_cн – номинальный ток стока, определяемый для МДПТ как ток стока при управляющем напряжении U_зи = 2U_п. На рис. 5.21 показаны управляющие характеристики, а также условное обозначение ПТ. Проходная характеристика ПТ имеет квадратичную форму

I_c = I_cн(1 – U_зи/U_о)². (5.15)

В данном случае I_cн – начальный ток стока - ток стока при U_зи = 0; U_о – напряжение отсечки – напряжение, при котором ток стока становится равным нулю.

Рис. 5.22. Выходные (стоковые) ВАХ МДПТ

На выходных ВАХ МДПТ (рис. 5.22) можно выделить два участка – крутой и пологий. На крутом участке (U_си << U_зи – U_п) МДПТ работает как управляемое напряжением нелинейное сопротивление, причем

Ic = 2Ic_н / U²п((Uзи – Uп)Uси – 0,5U²си). (5.16)

Если пренебречь квадратичным слагаемым, стоящим в скобках выражения (5.16), то

I_c = 2I_cн /U²_п((U_зи – U_п)U_си = S_о(U_зи/U_п – 1)U_си = SU_си.

Здесь величина

S = S_о (U_зи/U_п – 1) (5.17)

носит название крутизны усиления, причем параметр

S_о = 2I_cн /U_п (5.18)

есть максимальная крутизна усиления (паспортный параметр МДПТ), физический смысл которого – проводимость канала. Из (5.16) следует, что при изменении знака напряжения U_си изменяется направление тока I_c. Это означает, что в режиме управляемого сопротивления транзистор может работать с разнополярными сигналами. Пологие участки (участки насыщения) выходных ВАХ характеризуются слабой зависимостью тока стока от напряжения сток-исток. Этим участкам соответствует усилительный режим работы транзистора. Переход от режима управляемого сопротивления к усилительному режиму происходит в точках, которым соответствует напряжение насыщения

U_сн = U_зи – U_п. (5.19)

Наклон ВАХ в режиме насыщения определяется дифференциальным сопротивлением стока r_c = dU_cи/dI_c и рассчитывается по формуле

r_c = U_кр/I_c, (5.20)

где U_кр = (50–100) В – критическое напряжение.

Аналогичным образом выглядят выходные ВАХ ПТ (рис. 5.23), также имеющие два участка, переход между которыми происходит при напряжении насыщения

U_сн = U_о – U_зи (5.21)

Рис. 5.23. Выходные (стоковые) ВАХ ПТ

Таким образом, работа МДПТ и ПТ полностью описывается уравнением для проходной характеристики (5.14) и (5.15), а также двумя дифференциальными параметрами: S = dI_c /dU_си (крутизной усиления) и r_c = dU_cи/dI_c= U_кр/I_c (сопротивлением канала в активном режиме). Численная оценка значений параметров S и r_c для маломощных транзисторов дает (при I_cн порядка единиц мА, U_о – единиц В) S  (1–10) мА/В, r_c  (50–100) кОм. Произведение S^. r_c = К носит название коэффициента усиления, который характеризует предельные усилительные возможности ПТ. Если сравнить коэффициенты усиления ПТ и БТ, то усилительные возможности БТ окажутся примерно на порядок больше усилительных возможностей ПТ.

Проигрывая БТ по коэффициенту усиления, ПТ, однако, обладают рядом важных для практики преимуществ, из которых следует отметить: а) большое входное сопротивление цепи управления; б) возможность работы в режиме управляемого сопротивления; в) потенциально более высокое быстродействие, обусловленное отсутствием явлений накопления и рассасывания не основных носителей; г) высокую термостабильность; д) малый уровень собственных шумов.