1.11 Полевые транзисторы

Общие сведения:

Полупроводниковые приборы с одним или несколькими электрическими переходами, которые способны усиливать мощность электрических сигналов и имеющие три и более внешних выводов называются транзисторами.

По конструктивно-технологическому исполнению существует большое количество разновидностей таких приборов, однако по принципу действия их разделяют на два основных класса: полевые (униполярные) и биполярные.

В биполярных транзисторах физические процессы определяются движением носителей заряда обоих знаков, что отражено в их названии. Биполярные транзисторы будут рассмотрены ниже в отдельном подразделе 1.12.

Работа полевых транзисторов основана на дрейфовом движении носителей одного типа (электронов или дырок) в проводящем слое, называемом каналом. Управление током в канале такого транзистора реализуется за счет электрической модуляции проводимости канала поперечным электрическим полем, создаваемым с помощью специального электрода, называемого электродом затвора. По конструкции затвора полевые транзисторы разделяют на:

- полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом (ПТУП);

- полевые транзисторы с изолированным затвором (МДПТ);

- полевые транзисторы с затвором Шоттки.

Идея полевого транзистора, весьма напоминающая принцип работы современного МДПТ, впервые была запатентована Лилиенфельдом в 1926 г. Но эту идею удалось воплотить на практике только в 1960 г. Атталой и Калангом. Такой большой промежуток между идеей и ее практическим воплощением связан с технологическими причинами: долгое время не удавалось найти подходящую систему материалов. Первый же действующий полевой транзистор (ПТУП) был изготовлен Шокли в 1952 г.

В электрических схемах транзисторы (полевые и биполярные) принято обозначать как VТ1, VТ2 и т.д.

Принцип действия полевых транзисторов (ПТ):

В соответствии с определением в ПТ управление выходным током происходит под действием электрического поля. Рассмотрим, как это можно осуществить. Допустим, что имеется полупроводниковый материал в форме па­раллелепипеда (стержень, брусок) длиной l, толщиной h и шириной b в соответствии с рисунком 1.25.

Рисунок 1.25 – Упрощенная структура полевого транзистора

В этот материал внедрены, например, акцепторные примеси. В свое время такую конструкцию рассматривал Шокли и предполагал, что примеси внедрены равномерно по всему объему.

Подключим к концам бруска электроды и назовем их исток и сток. Область полупроводника между истоком и стоком, по которой протекает ток, есть канал ПТ.

Сопротивление полупроводникового стержня рассчитывают по формуле

, (1.48)

где – удельное электрическое сопротивление области канала,

q - заряд электрона,

_p- дрейфовая подвижность носителей заряда; р – концентрация дырок, совпадающая с концентрацией акцепторной примеси,

S = bh- площадь поперечного сечения канала.

Очевидно, что ток будет зависеть от геометрических размеров бруска, концентрации примесей и подвижности основных носителей в канале ПТ. В реальных приборах используют зависимость либо толщины канала, либо концентрации носителей заряда в канале от электрического поля. С целью управления выходным током в приборе вводится третий дополнительный электрод – затвор.

Управление током возможно с помощью: p-n-перехода; кон­денсатора, образованного структурой «металл – диэлектрик – полупроводник»; перехода «металл – полупроводник», названного барьером Шоттки. У полевых транзисторов с p-n-переходом и барьером Шоттки изменение выходного тока происходит из-за изменения эффективной толщины канала (содержащей подвижные носители заряда), а у МДПТ – за счет изменения концентрации носителей заряда.Упрощенные конструкции ПТ разных структур выполняют в соответствии с рисунком 1.26, а возможные схемы их включения в цепь – в соответствии с рисунком 1.26.

а) ПТУП р-типа	б) МДП- транзистор n-типа	в) ПТ с затвором Шоттки n-типа

Р исунок 1.26 – Основные структуры полевых транзисторов

Для реализации ПТ с управляющим p-n-переходом у полу­проводникового стержня p-типа сверху и снизу создают слои с высокой концентрацией донорной примеси N_D, соединенные между собой и подключенные к внешнему выводу — затвору. Эти слои принято обозначать n⁺. Структура n⁺-р представляет собой электронно-дырочный переход. Известно, что у электронно-дырочного перехода N_Dh_n = N_Ah_p. Следовательно, так как N_D>>N_A, то h_n<<h_p. Т.е., рассматриваемый электронно-дырочный переход в основном расположен в p-области. Области канала с толщиной h_p в соответствии с рисунком 1.26 обеднены подвижными носителями заряда. Таким образом, эффективная толщина канала, по которому протекает ток, равна h_i = h — 2h_p. Очевидно, ее можно менять, изменяя h_p за счет внешнего управляющего напряжения. Если к электронно-дырочному переходу прикладывать запирающее напряжение, h_p увеличивается, а эффектная толщина проводящего канала и, следовательно, выходной ток уменьшаются. При определенном запирающем напряжении, называемым напряжением отсечки, области, обедненные подвижными носителями зарядов, смыкаются и выходной ток теоретически должен быть равен нулю. У реальных приборов в этом случае протекает незначительный ток, как и в обычных диодах при обратном включении.

В справочниках для удобства использования на практике для маломощных ПТ с управляющим p-n-переходом вместо напряжения запирания указывают напряжение отсечки U_{3И ОТС}, определяемой при токе стока I_С = 10^-5 А. Если к электронно-дырочному переходу «затвор – канал» прикладывать отпирающее напряжение, то h_p уменьшается, а эффективная толщина проводящего канала увеличивается и стремится к максимально возможному значению h. Выходной ток в данном случае возрастает. Однако при определенных значениях отпирающего напряжения (превышающих 0,6 В для кремниевых приборов) возникают существенные прямые токи перехода «затвор – канал» и входное сопротивление прибора резко падает. В большинстве случаев применения ПТ это явление нежелательно. Поэтому обычно транзисторы с p-n-переходом используют при запирающих входных напряжениях.

Конструкция МДПТ со встроенным каналом n-типа имеет вид в соответствии с рисунком 1.26 (б). Здесь в исходном полупроводниковом материале p-типа, называемом подложкой, создается слой n-типа. Это слой выполняет функцию встроенного канала. Для обеспечения механизма управления током канала в транзисторе предусмотрены тонкий слой высококачественного диэлектрика и металлический слой, выполняющий функцию затвора. Если к затвору приложить положительный заряд, то по закону электростатической индукции в канале будет индуцироваться отрицательный заряд. За счет увеличения концентрации электронов, обусловленной их дополнительным поступлением из подложки и внешних областей транзистора (не перекрытых затвором), наблюдается возрастание тока канала. И наоборот, если к затвору приложить отрицательный заряд, то концентрация электронов в канале уменьшится и, следовательно, уменьшится ток канала.

Очевидно, что МДП-структура получится, если непосредственно на подложку последовательно нанести диэлектрический и металлический слои. Такой случай реализуется, если в структуре, имеющей вид в соответствии с рисунком 1.26(б) отказаться от создания области с проводимостью n-типа, расположив там часть подложки p-типа. Теперь, если к затвору приложить достаточно большой положи­тельный заряд, то по закону электростатической индукции в канале индуцируется соответствующий отрицательный заряд, увеличивается концентрация подвижных носителей n-типа и возникает проводящий канал. Такой транзистор получил название МДПТ с индуцированным каналом n-типа. Области n⁺ используются для создания низкоомных омических (невыпрямляющих) контактов стока и истока. Они же препятствуют протеканию существенного тока между выходными электродами ПТ при нулевом или отрицательном заряде на затворе. Это объясняется тем, что n⁺ -области и часть p-подложки образуют два последовательно встречно включенных между истоком и стоком электронно-дырочных перехода.

Таким образом, в зависимости от типа подложки и типа канала различают несколько разновидностей МДПТ. Следует отметить, что наличие диэлектрика между затвором и каналом обусловливает чрезвычайно высокое входное сопротивление МДПТ по постоянному току любой полярности (R_ВХ изменяется от 10¹⁰ до 10¹⁴ Ом). Однако наличие емкости «затвор – канал», обеспе­чивающей управление выходным током прибора, приводит к заметному снижению входного сопротивления МДПТ на высоких частотах.

Полевые транзисторы с p-n-переходом при одинаковых геометрических размерах с МДПТ могут иметь в рабочем режиме меньшие входные емкости. Это объясняется тем, что в рабочем режиме к электронно-дырочному переходу «затвор — канал» прикладывается запирающее напряжение и, следовательно, барьерная емкость перехода (аналогично варикапу) уменьшается.

Сочетание достоинств полевых транзисторов с p-n-переходом и МДП-транзисторов реализуется в транзисторах с барьером Шоттки, упрощенная конструкция которых имеет вид в соответствии с рисунком 1.26 (в). Здесь в качестве управляющей цепи используется контакт «металл — полупроводник», обладающий выпрямительными свойствами и очень малой емкостью. Механизм управления аналогичен приборам с управляю­щим p-n-переходом. В качестве исходного материала применяется обычно арсенид галлия n-типа. Это обеспечивает хорошие температурные, усилительные и частотные свойства приборов и такие транзисторы предназначены в основном для работы в СВЧ-диапазоне.

Одним из основных факторов, определяющих частотные свойства ПТ, является время пролета носителей заряда в канале, которое прямо пропорционально длине канала и обратно — скорости движения носителей. Поэтому для СВЧ-транзисторов необходимо обеспечить малую длину канала (0,5 мкм и менее) и большую дрейфовую скорость. Уменьшение длины достигается соответствующей технологией изготовления, а увеличение дрейфовой скорости — за счет выбора подходящего материала (сплавы n-типа, подобные GaAs). Время переключения подобных транзисторов составляет менее 100 пикосекунд. Их частотный диапазон достигает десятков ГГц. Первый ПТ СВЧ-диапазона был изготовлен на основе арсенида галлия в 1970 г.

Условные графические обозначения ПТ разных типов и структур приведены в таблице 1.7.

Статические характеристики ПТ:

В качестве статических харак­теристик ПТ представляются функциональные зависимости между токами и напряжениями, прикладываемыми к их электродам: входная характеристика I₃ = f(U_зи) при U_си = const; характеристика обратной связи I₃=f(U_СИ) при U_ЗИ = const; характеристика прямой передачи I_С=f(U_ЗИ) при U_СИ = const; выходная характеристика I_С = f(U_СИ) при U_ЗИ = const.

На практике широко используются лишь две последние характеристики, причем первую из них часто называют передаточной характеристикой.

Входная характеристика и характеристика обратной связи применяется редко, так как в абсолютном большинстве случаев входные токи ПТ (от 10^-8 до 10^-12 А) пренебрежительно малы по сравнению с токами, протекающими через элементы, подключенные к их входам.

Ориентировочный вид характеристик передачи ПТ разных типов и структур показан в таблице 1.7.

Таблица 1.7 – Основные типы полевых транзисторов

Наименование	УГО	Характеристика передачи
Транзистор полевой с каналом типа p
Транзистор полевой с каналом типа n
Транзистор полевой с изолированным затвором обедненного типа с p-каналом
Транзистор полевой с изолированным затвором обогащенного типа c p-каналом
Транзистор полевой с изолированным затвором обедненного типа с n-каналом
Транзистор полевой с изолированным затвором обогащенного типа c n-каналом
Полевой транзистор с затвором Шоттки и каналом n-типа.

Основные параметры, интересующие разработчиков электронной аппаратуры, могут быть получены из семейства выходных (стоковых) характеристик. Поэтому они заслуживают подробного рассмотрения.

Стоковые характеристики ПТ разных структур и типов имеют вид в соответствии с рисунком 1.27. Условно их можно разбить на четыре области: крутую, пологую, пробоя и возникновения прямых токов затвора. В крутой области наблюдается резко выраженная зависимость тока стока I_С от напряжений сток – исток U_СИ и затвор – исток U_ЗИ. Здесь транзистор ведет себя как сопротивле­ние, управляемое напряжением U_ЗИ. Пологая область отделена от крутой геометрическим местом точек (кривая ОА), для которых выполняется условие: U_СИ = U_ЗИ – U_{ЗИ ОТС}. Для пологой области характерна слабовыраженная зависимость I_С = f(U_СИ).

Рисунок 1.27 – Выходные характеристики полевых транзисторов

При больших напряжениях на стоке наблюдается резкое увеличение I_С, и если мощность рассеивания на стоке превышает допустимую, то происходит необратимый пробой участка «за­твор – сток». При подаче на вход ПТ запирающего напряжения увеличивается разность потенциалов между затвором и стоком. В этом случае пробой наблюдается при меньшем напряжении U_СИ на величину напряжения U_ЗИ.

В отличие от электронных ламп ПТ могут работать и при смене полярности выходного напряжения. Однако необходимо помнить, что, как только напряжение U_СИ превысит напряжение U_ЗИ на величину контактной разности потенциалов U_К p-n-перехода, возникает прямой ток затвора и входное сопротивление резко падает.

Область возникновения токов затвора в соответствии с рисунком 1.27 отделена от крутой области геометрическим местом точек (кривая OB), для которых выполняется соотношение U_СИ = U_ЗИ + U_К.

Выходные характеристики МДПТ также можно условно разбить на вышеупомянутые области, исключив область возникновения прямых токов затвора. Однако следует учитывать, что аналогичная область будет иметь место и у МДПТ, если их подложка соединена с истоком. В последнем случае при обратной полярности стокового напряжения возникают прямые тока подложки.

С целью увеличения рабочих токов и, следовательно, крутизны в современных приборах широкое применение находит параллельное соединение элементарных ячеек. Такое решение используется, в частности, в мощных МДП-транзисторах.

В пологой области статические характеристики идеального ПТ любого типа описываются уравнением

, (1.49)

где К_ПТ – постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транзистора и свойства материала, из которого он изготовлен.

Значение К_ПТ можно выразить через параметры ПТ. Например, в случае ПТ с p-n-переходом и МДПТ со встроенным каналом

К_{ПТ.ВСТР} = 2I_СО /U² _{ЗИ ОТС}, (1.50)

где I_СО – ток насыщения стока при U_ЗИ = 0.

В случае использования ПТ с индуцированным каналом

К_ПТ.ИНД = 2I_С/(U_ЗИ –U_ПОР)², (1.51)

где U_ПОР – пороговое напряжение ПТ, соответствующее току стока I_С = 10 мкА;

I_С – ток насыщения стока, измеренный при входном напряжении U_ЗИ = 2U_ПОР.

Дифференцируя выражение (1.49) по U_ЗИ, находим, что крутизна характеристики тока стока по напряжению на затворе у идеального ПТ является линейной функцией напряжения U_ЗИ

. (1.52)

Характеристики реального ПТ с p-n-переходом отличаются от идеализированных из-за несовершенства технологии изготовления, наличия сопротивлений между рабочей областью транзистора и внешними выводами стока и истока (называемых немодулирован­ными сопротивлениями), зависимости подвижности носителей от потенциалов, прикладываемых к электродам ПТ. У МДПТ дополнительное влияние на характеристики оказывают поверхностные состояния, эффекты поверхностного рассеивания, состояние подложки.

В крутой области ПТ ведет себя как сопротивление, управляе­мое напряжением. Управляя проводимостью канала ПТ, можно изменять либо коэффициент передачи напряжения аттенюатора, либо усиления каскада, охваченного регулируемой обратной связью и т. п. При этом к каналу ПТ прикладывается все напряжение сигнала или его часть, а к участку «затвор — исток» — управляющее напряжение (в общем случае изменяющееся по произвольному закону). Регулировка проводимости ПТ может осуществляться как при наличии постоянной составляющей тока в цепи канала, так и без нее. В первом случае регулировка аналогична осуществляемым с помощью ламп и биполярных транзисторов и сопровождается изменением режима по постоян­ному току. Важнейшей особенностью ПТ является возможность регулировки их выходной проводимости при отсутствии постоян­ной составляющей в цепи канала. В последнем случае точка покоя выбирается в начале координат. Регуляторы, реализующие такой режим работы ПТ, имеют ряд достоинств: простую схему, высокую экономичность (за счет отсутствия цепи питания стока и потребления ею энергии), а также максимальный диапазон регулирования.

В крутой области статические характеристики таких ПТ описываются уравнением

. (1.53)

Взяв производную от I_С по U_СИ найдем при U_СИ  0 выходную активную проводимость канала

. (1.54)

Таким образом, при малых напряжениях U_СИ выходная проводимость канала идеального ПТ линейно зависит от напряжения U_ЗИ.

Как указывалось выше, характеристики реального ПТ отличаются от идеализированных. Наиболее близка к идеализированной характеристика ПТ простой конструкции. У ПТ сложной конструкции, состоящих из большого количества элементарных ячеек, существенные отклонения от идеализированной характеристики наблюдается при U_ЗИ, близких к нулю и напряжению запирания. В первом случае основной причиной отклонения является наличие немодулированных сопротивлений стока и истока, во втором – неидентичность элементарных ячеек прибора и неоднородности в канале.

В паспортных данных ПТ обычно проводятся данные о крутизне S₀, напряжении отсечки U_{ЗИ ОТС} и токе насыщения стока I_C0 в типовом режиме. В случае ПТ с характеристиками передачи, близкими к квадратичной параболе, достаточно знать только два из упомянутых параметров, чтобы отыскать третий, используя соотношение:

S₀ = 2I_C0 / U_{ЗИ ОТС}. (1.55)

Зная значения крутизны ПТ в пологой области, можно предсказать, какие значения будет иметь проводимость канала в крутой области. Это объясняется следующим образом. Сравнив выражение, описывающее зависимость S_ПТ идеального транзистора от U_ЗИ в пологой области с выражением, описывающим зависимость проводимости канала G от U_ЗИ в крутой области, нетрудно заметить, что они идентичны.

Параметры ПТ:

Основными параметрами ПТ, приводимыми в справочных данных, являются: крутизна, внутреннее сопротивление, коэффициент усиления; ток утечки затвора, междуэлектродные емкости.

В общем случае крутизна передаточной характеристики в типовом режиме есть величина, равная S = dI_C / dU_ЗИ | U_{СИ = const}. В частности, для ПТ с p-n-переходом в справочниках приводится значение крутизны при U_СИ = const и U_ЗИ = 0 и обозначается S₀. Значение крутизны ПТ S₀ можно рассчитать по известным параметрам: току стока насыщения I_C0 при U_ЗИ = 0 и напряжению отсечки U_{ЗИ отс} по формуле (1.55). Крутизну ПТ можно определить и по-другому, используя передаточную характеристику или семейство выходных характеристик. Отечественные ПТ имеют крутизну от 0,15 мА/В (КП101Г) до 510 мА/В (КП904).

Внутреннее (дифференциальное) сопротивление R_i = du_СИ / di_С |_{Uзи = const}. Внутреннее сопротивление ПТ в рабочей точке можно найти, используя семейство выходных характеристик ПТ, по формуле R_i = U_СИ / I_С |U_{ЗИ = const}.

Следует помнить, что у реальных ПТ значение R_i в пологой области существенно возрастает при увеличении запирающего напряжения U_зи (например, порядка 10⁴ Ом при U_зи = 0 и бо­лее 10⁶ Ом при U_зи  U_{ЗИ отс}).

Статический коэффициент усиления, показывающий, во сколь­ко раз изменение напряжения на затворе воздействует эффективнее на ток стока I_С, чем изменение напряжения на стоке:

. (1.56)

Коэффициент усиления можно определить, используя семейство выходных характеристик или расчетным путем по формуле _ПТ=R_iS. Типичные значения _ПТ — несколько сотен единиц.

Полевые транзисторы имеют очень малые токи утечки I_З.УТ (изменяется от 10^-8 до 10^-12 А). Это обусловливает очень высокие значения входного сопротивления ПТ постоянному току (более 10⁸ Ом).

Междуэлектродные емкости: проходная С_ЗС, входная С_ЗИ, выходная С_СИ. Емкости ПТ определяют частотные свойства транзисторов. Особенно сильное влияние на частотные свойства ПТ оказывает проходная емкость.

Полевой транзистор, как и биполярный, можно представить в виде эквивалентного четырехполюсника. При работе ПТ с сигналами малых амплитуд такой четырехполюсник можно считать линейным. Поскольку ПТ, как и электронная лампа, является прибором, управляемым напряжением, то рационально использовать систему уравнений с y-параметрами. Токи в этой системе считают функциями напряжений

I_З = f₁(U_ЗИ, U_СИ); I_C = f₂(U_ЗИ, U_СИ). (1.57)

Тогда

(1.58)

– входная проводимость; _S – предельная круговая частота;

— проводимость обратной передачи;

— проводимость прямой передачи;

— выходная проводимость.

Заметим, что y-параметры определяются в режиме короткого замыкания для переменной составляющей тока на входе (y₂₂ и y₁₂) и на выходе (y₂₁ и y₁₁). Это трудно обеспечить на низких частотах и легко на высоких частотах.

Особенности реальных ПТ:

При изготовлении современных ПТ широко используется планарная технология. Выводы приборов находятся в одной плоскости. При такой конструкции затвор не перекрывает полностью канал, поэтому имеются немодулирован­ные сопротивления стока R_С и истока R_И. С целью улучшения усилительных свойств и мощности широкое применение находит параллельное соединение элементарных ячеек.

МДП-транзисторы нуждаются в элементах защиты от пробоя статическим электричеством. При хранении и транспортировке выводы МДП-транзисторов, не имеющих встроенной защиты, должны быть соединены между собой.

При работе ПТ в режиме усиления следует учитывать конечное значение выходного сопротивления. Выходное сопротивление реальных ПТ в пологой области при U_ЗИ  0 гораздо меньше, чем при U_ЗИ  U_ЗИ.ОТС

, (1.59)

где R_iн—динамическое сопротивление ПТ при U_СИ = U_ЗИ.ОТС и U_ЗИ = 0.

Эквивалентные схемы ПТ:

Полевые транзисторы, по существу, являются приборами с распределенными параметрами. Распределенное сопротивление канала возрастает в направлении контакта стока, а сам канал расположен между двумя распределенными емкостями «канал – подложка» С_КП и «канал – затвор» С_КЗ.. Управление сопротивлением канала происходит с помощью распределенного генератора тока в соответствии с рисунком 1.28 (а).

а) схема с распределенными параметрами

б) упрощенная схема

Рисунок 1.28 – Эквивалентные схемы ПТ

На практике используют упрощенные модели, напоминающие модели электронных ламп. Упрощенная физическая модель ПТ имеет вид в соответствии с рисунком 1.28 (б). Здесь r_И – сопротивление между рабочей областью транзистора и внешним выводом прибора (называемое немодулированным сопротивлением истока). Рассматривая ПТ как прибор с зависимыми источниками, нетрудно увидеть, что он близок по свойствам к источнику тока, управляемому напряжением (ИТУН).