Полевые транзисторы с управляющим р–n переходом.

Принцип работы полевого транзистора с управляющим р – n – переходом (ПТУП) основан на модуляции площади поперечного сечения, а значит, и сопротивления проводящего канала в области полупроводника под воздействием эффекта поля.

Структура полевого транзистора с р–n переходом в качестве затвора схематически показана на рис. 6. Полевой транзистор состоит из n – или р – полупроводника с двумя омическими контактами (истоком и стоком) и p⁺– или n⁺– областей, выполняющих функции затворов, и называется соответственно n – канальным или p – канальным.

Рис. 6. Структура и схема включения полевого транзистора с управляющим р – n переходом в качестве затвора.

Выходным (управляемым) током является ток стока , входным (управляющим) током – ток затвора , который для обратно смещенных кремниевых переходов небольшой площади составляет примерно и менее. На p⁺– n переход затвора подаётся обратное напряжение, обедненный слой перехода расширяется практически только в менее легированную область n. С повышением величины обратного напряжения на переходе толщина обедненного слоя увеличивается. При этом изменяется площадь поперечного сечения канала, а, следовательно, и его сопротивление. Поэтому полевой транзистор представляет собой резистор, управляемый напряжением на затворе. Модуляция входного напряжения на затворе (входного напряжения) вызывает модуляцию тока канала (выходного тока). Усиление по мощности в полевых транзисторах реализуется за счет малого значения входного тока.

Рис. 7. Статические ВАХ полевого транзистора с управляющим р – n переходом: а – выходные; б – передаточные.

На рис. 7, а, б приведены выходные и передаточные ВАХ полевого транзистора с управляющим р-п переходом, а модель этого транзистора в равновесном состоянии и в режиме отсечки канала представлена на рис. 8. С приложением к стоку положительного относительно истока напряжения по каналу будет протекать ток, и обратное напряжение на переходе будет изменяться

Рис. 8. Модель полевого транзистора с управляющим р-п переходом в равновесном состоянии (а) и в режиме отсечки канала (б-г). U_СИ=0 (а, б); U_СИ>0 (в, г).

вдоль оси , возрастая в направлении к стоку. Поэтому толщина обедненного слоя начнет увеличиваться, а толщина канала уменьшаться по сравнению с равновесными значениями в направлении к стоку, и при достаточно большом напряжении , произойдет отсечка канала.

. (10)

В результате отсечки канала и образования "горловины" происходит насыщение тока стока подобно таковому в МДП–транзисторах. В дальнейшем, при "горловина" канала смещается в направлении к истоку, а длина канала уменьшается.

Из выражения (10) можно определить напряжение насыщения:

.

Семейства выходных ВАХ ПТУП и МДП–транзисторов во многом аналогичны. Передаточные характеристики отличаются прежде всего тем, что у ПТУП выходной ток протекает при нулевом напряжении на затворе, и напряжение на затворе может иметь только одну полярность, в данном случае (для n – канального) – отрицательную. При положительной полярности на затворе он будет инжектировать в область канала неосновные носители заряда, и полевой транзистор будет работать как биполярный в peжиме двойной инжекции. ПТУП часто изготавливают в одном кристалле с биполярными транзисторами. Конструкции ПТУП интегральных микросхем приведены на рис. 9, 10. Затвор n – канального транзистора представляет собой область p –типа, выполненную на этапе базовой диффузии, n⁺– слои для создания омических контактов – на этапе проведения эмиттерной диффузии (см. рис. 9). Поскольку затвор выполнен в виде рамки, то ток между истоком и стоком может протекать только через управляемый канал. Скрытый слой в n –кармане, в котором выполнен полевой транзистор, имеет не n⁺–, а p⁺– тип электропроводности. Назначение скрытого слоя – уменьшить начальную толщину канала и тем самым снизить напряжение отсечки.

Выполнение скрытого p⁺– слоя связано с необходимостью проведения дополнительных технологических операций фотолитографии и диффузии. Чтобы он проник в эпитаксиальный n – слой достаточно глубоко, в качестве акцепторной примеси используют диффузанты с большим коэффициентом диффузии (бор или галлий). На подложку и p⁺– слой подают постоянный отрицательный потенциал, для обеспечения начального значения ширины канала.

Рис. 9. Конструкция n – канального полевого транзистора с управляющим р – n переходом.

Структура p – канального полевого транзистора совпадает со структурой обычного n⁺– p– n биполярного транзистора (см. рис. 10). Роль канала выполняет участок базового слоя между n⁺– и n– слоями. Если не использовать дополнительные технологические операции при совмещенном изготовлении биполярных и полевых транзисторов, то толщина канала будет равна ширине базы биполярного транзистора (от 0,3 до 1,0 мкм). При такой малой толщине канала имеет место большой разброс параметров и малое полевого транзистора. Для исключения этих недостатков целесообразно р – область (канал) полевого транзистора изготавливать отдельно от базы биполярного транзистора таким образом, чтобы толщина канала составляла 1-2 мкм; n⁺– слой делают более длинным, чем ширина p – области, с тем чтобы области истока и стока соединялись только через канал. Слой n⁺– по краям находится в границах эпитаксиального n – слоя, контактирует с ним. Таким образом, эти два слоя (n⁺ и n) образуют как бы верхний и нижний затворы (контакт показан на рис. 10 условно штриховой линией). Это обстоятельство повышает эффективность управления шириной канала.

Особенности МДП–транзисторов и ПТУП.

Важнейшими особенностями ПТУП является малый уровень собственных шумов и стабильность параметров во времени. По этим характеристикам они превосходят МДП–транзисторы, которые являются основными элементами современных микросхем - больших, сверхбольших, ультрабольших (БИС, СБИС, УБИС).

Это объясняется тем, что выходной ток ПТУП протекает в объеме монокристалла, на него не влияют поверхностные дефекты кристаллической структуры, вызывающие у МДП–транзисторов шумовые флуктуации тока, нестабильность параметров и снижение подвижности носителей заряда.

В силу своей структуры и принципа работы ПТУП защищены от перегрузок по току значительно лучше, чем биполярные и МДП–транзисторы.

ПТУП не чувствительны к дефектам накопления неосновных носителей заряда, поэтому в принципе имеют высокие граничные частоты (десятки гигагерц) и скорости переключения.

Практически длину канала у ПТУП не удается сделать такой же малой, как у МДП–транзисторов интегральных схем. Поэтому в настоящее время их быстродействие значительно ниже, чем у МДП-транзисторов.

Естественно, что ПТУП уступают МДП–транзисторам и по величине входного сопротивления, которое определяется у них обратным током р –n перехода и обычно не превышает , с ростом температуры оно быстро уменьшается и при Т = 125°С может иметь значения 10 Ом и менее.

Рис. 10. Конструкция р – канального полевого транзистора с управляющим р – n переходом.