4.2. Полевые транзисторы

Полевым транзистором называется трёхэлектродный полупроводниковый прибор, работа которого основана на использовании электрического поля для управления током, протекающим от одного электрода полевого транзистора к другому. Поле воздействует на проводимость полупроводникового материала, что и приводит к изменению силы тока. Область между двумя электродами (проводящий слой), по которой течёт ток, называется каналом. Ток в канале создаётся за счёт основных носителей заряда, а канал имеет один тип проводимости. Поэтому такие транзисторы называют униполярными¹⁹.

Электрод, из которого в канал втекают основные носители, называется истоком и обозначается буквой И, а электрод, в который носители вытекают из канала, называется стоком и обозначается – С [10]. Электрод, на который подаётся сигнал, управляющий электрическим полем в канале, называется затвором и обозначается буквой З.

4.2.1. Типы и работа полевых транзисторов

Основным способом движения носителей заряда, образующих ток в канале полевого транзистора, является их дрейф в электрическом поле.

Затвор полевого транзистора может быть выполнен в виде p-n перехода или в виде проводящего слоя, отделённого от канала тонким слоем изолятора. В качестве изолятора преимущественно используется оксид, в частности, двуокись кремния – SiO₂. В качестве проводящего слоя затвора может быть использован металл, например алюминий. Такой полевой транзистор называется МДП – транзистором (металл – диэлектрик - полупроводник)²⁰.

Рис. 5.1. Полевой транзистор с p-n переходом и каналом типа n.

В полевом транзисторе с объёмным каналом площадь поперечного сечения канала меняется за счёт изменения площади обеднённого слоя обратно включённого p-n перехода [9]. Сечение полевого транзистора с управляющим p-n переходом показано на рис 5.1. На этом рисунке включение источников питания соответствует схеме с общим истоком. При анализе будем учитывать полярность подключения источников.

На управляющий p-n переход, то есть, между затвором и истоком подаётся обратное напряжение U_зи. Рабочую область переменной величины, расположенную под p-n переходом (затвором), как указывалось выше, называют каналом. На рисунке толщина²¹ канала обозначена b. При увеличении абсолютного значения обратного напряжения, приложенного к p-n переходу, площадь перехода увеличивается, а проводящий канал сужается. Это означает увеличение сопротивления канала и уменьшение выходного тока.

Ток затвора имеет малую величину, так как на затвор подано обратное напряжение U_зи. Характер изменения тока стока удобно рассмотреть на передаточной характеристике²², рис. 5.2.

Рис. 5.2. Статическая передаточная вольтамперная характеристика полевого транзистора с управляющим p-n переходом (для схемы с общим истоком).

На рис. 5.2. показано семейство, состоящее из трёх характеристик. Каждая кривая соответствует конкретному напряжению сток-исток. Кривые, расположенные выше, соответствуют большим напряжениям U_си. Для одной из характеристик указано напряжение отсечки тока.

При входном напряжении U_зи = U_{зи отс}, соответствующем обратному напряжению на p-n переходе, при котором токопроводящий канал транзистора будет полностью перекрыт, выходной ток транзистора I_c будет равен нулю. При U_зи > U_{зи отс} в канале появляется слой шириной b, по которому от стока к истоку начинает протекать ток I_c . Из рассмотрения характеристик, приведённых на рис. 5.1, видно, что полярности управляющего и выходного напряжений полевого транзистора с управляющим p-n переходом не совпадают.

В МДП транзисторе металлический затвор изолирован от полупроводниковой подложки слоем диэлектрика. Обычно в качестве диэлектрика, как упоминалось выше, используется двуокись кремния (SiO₂). Структура МДП транзистора приведена на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Модель структуры МДП транзистора.

Рассмотрим случай, когда напряжение на затворе отсутствует. В этом случае при подаче напряжения между стоком и истоком, с учётом полярности, указанной на рисунке, между стоком и истоком окажутся встречно включённые p-n переходы. Это означает, что сопротивление между истоком и стоком велико. Соответственно ток стока оказывается мал. При подаче на затвор отрицательного напряжения U_зи , приповерхностный слой подложки p типа обогатится дырками и значении тока I_c практически не изменится.

Если подать на затвор положительное напряжение, то под его действием дырки будут вытесняться вглубь подложки, а электроны будут концентрироваться в подзатворной области. Таким образом, под пластиной затвора образуется обогащённый электронами слой подложки. Количество этих электронов существенно меньше, чем в областях положки n⁺ типа²³, примыкающих к истоку и стоку. Однако, этой концентрации электронов по отношении к основным носителям заряда в p области, по мере возрастания положительного напряжения на затворе, становится достаточно для образования проводимости противоположной к проводимости подложки р типа. Образовавшийся слой с проводимостью типа n называется инверсным (обратным). Образовавшийся проводящий канал замыкает собой, примыкающие к стоку и истоку n⁺ области подложки.

Такой канал называется индуцированным, то есть, наведённым полем. Индуцированные каналы отсутствуют в равновесном состоянии и возникают под действием внешнего напряжения, имеющего необходимые полярность и величину.

Напряжение на затворе, при котором возникает токопроводящий канал, называется пороговым.

Выходные вольтамперные характеристики МДП транзистора с индуцированным n каналом для схемы с общим истоком лежат в первом квадранте. Для этих транзисторов полярности входного и выходного напряжений совпадают, увеличение напряжения U_зи ведёт увеличению тока стока.

Транзисторы с индуцированными каналами широко распространены. Топологические параметры транзисторов определяют их параметры и возможности применения. Обозначим длину канала L, а ширину канала – W. Неравенство L/W>>1 («длинный» канал) и обратное неравенство L/W<<1 («короткий» канал) определяют схемное использование соответствующего транзистора. Соотношение L/W определяет усилительные свойства МДП транзистора. Для увеличения крутизны s надо делать короткий канал.

Наряду с транзисторами с индуцированным каналом существуют транзисторы со встроенным каналом. У этих транзисторов существует под затвором инверсный слой, то есть, проводящий встроенный канал. Этот канал создают путём ионного легирования в виде тонкого приповерхностного слоя. Транзисторы с встроенным каналом работают при обеих полярностях напряжения на затворе. При отсутствии управляющего напряжения (U_зи = 0) значение выходного тока отлично от нуля. Это значение тока называют начальным током стока.