131

Глава 4. Полевые транзисторы

Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, в котором ток через электропроводящий канал управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между контактами затвора и истока.

Полевые транзисторы относятся к униполярным транзисторам, принцип действия которых основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током в униполярных транзисторах осуществляется под воздействием электрического поля посредством изменения проводимости канала, через который протекает ток транзистора. Именно поэтому униполярные транзисторы называют полевыми.

По способу создания и управления каналом (n- или р-типа) различают полевые транзисторы:

 с управляющим p-n-переходом;

 с встроенным каналом;

 с индуцированным каналом.

4.1. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (птуп)

4.1.1. Структура птуп

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом – это разновидность полевого транзистора, область затвора которого отделена от объема канала p-n-переходом, смещенным в обратном направлении.

Модель полевого транзистора с управляющим p-n-переходом (ПТУП) показана на рис. 4.1, а. Следует отметить, что данная модель лишь поясняет работу ПТУП, но не в полной соответствует реальной структуре полевого транзистора, имеющей, как правило, планарную (поверхностную) топологию (рис. 4.1, г), [4], [5], [21], [27].

Рис. 4.1. Модель конструкции ПТУП (а), его УГО с каналом n-типа (б), с каналом p-типа (в), примерная планарная структура (г)

Электрод, от которого начинают движение основные носители заряда (в данном случае электроны), называют истоком И, а электрод, к которому они движутся, – стоком С. В приведенной модели (а) конструкции канал протекания тока (далее, просто, канал) представляет собой слаболегированный слой полупроводника n-типа, длина d которого простирается от контакта истока И к контакту стока С. Данный канал может быть ограничен двумя p-n-переходами (рис. 4.1, а) или соприкасаться с одним p-n-переходом (рис. 4.1, г).

Контакт, называемый затвором З, устанавливается на области полупроводника с типом проводимости, противоположным типу проводимости области канала; другими словами, непосредственно под металлическим контактом затвора в данном случае находится область полупроводника p-типа.

Р-n-переход является своего рода высокоомной диэлектрической прослойкой, отделяющей электропроводящий канал от металлического контакта затвора.

В модели, приведенной на рис. 4.1, а, для простоты сформированы два симметричных затвора, объединенных между собой внешним проводником, т.е. оба контакта затвора З, а, значит, и области полупроводника р-типа, электрически связаны между собой.

Отметим, что обычно затвором называют как металлический контакт З, так и сильно легированную область (например, р⁺) полупроводника, примыкающую указанному металлическому контакту.

Управление полевыми транзисторами (регулирование тока I_си между стоком и истоком, далее I_c,) осуществляется изменением управляющего напряжения U_зи между контактами истока И и затвора З, так что входным напряжением в схемах с полевыми транзисторами является величина напряжения U_зи, но не ток затвора, который крайне мал.

Для дальнейшего понимания работы полевых транзисторов, следует обратить особое внимание на то, что в каждом из них существуют (или создается):

 канал проводимости (длиной d), обеспечивающий перемещение свободных носителей заряда (электронов или дырок) от истока к стоку;

 протяженные области p-n-переходов, отделяющие затвор от канала; параметрами (шириной l, удельным сопротивлением этих p-n-переходов можно управлять с помощью внешних воздействий, а именно, потенциалом затвора.

В рассматриваемой нами структуре (рис. 4.1, а, г) полупроводниковые слои р-типа, прилегающие к n-каналу, образуют два протяженных (от истока до стока) p-n-перехода. Для эффективного влияния на свойства этого p-n-перехода p⁺-область, примыкающая к затвору, формируется с более высокой концентрацией примеси, чем n-слой канала, т.е. N_А >> N_Д. Другими словами, n-канал – менее легирован, и его сопротивление более высоко, чем p⁺-область, примыкающая к металлическому затвору.

Учитывая, что ширина объемного заряда l_n в n-области (рис. 1.3) и ширина объемного заряда l_р в р⁺-области связаны соотношением (1.7): l_n/l_р = N_А/N_Д, имеем, что l_n >> l_р. Другими словами, из-за различной степени легирования области затвора и канала, собственно p-n-переход на границе затвор-канал смещен в область канала тем больше, чем меньше в канале примесных донорных центров.

Подобную же конструкцию имеют и полевые транзисторы с каналом p-типа.

Условные графические изображения полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом и каналами n- и p-типа приведены на рис. 4.1, б, в.