Лекция 13 Полевые транзисторы

13.1 Определения

Полевой транзистор это полупроводниковый прибор, в котором управление током, протекающим между двумя электродами, осуществляется с помощью напряжения, приложенного к третьему электроду.

Управление током в полевых транзисторах осуществляется с помощью электрического поля либо за счет изменения площади поперечного сечения проводящего полупроводникового слоя, через который проходит рабочий ток, либо за счет изменения удельной проводимости этого слоя.

Проводящий полупроводниковый слой называется каналом.

Полевой транзистор в отличие от биполярного называют униполярным, поскольку ток в нем образуется только основными носителями заряда. Электрод, через который втекают носители заряда в канал называется истоком , а электрод, через который из канала вытекают носители заряда, называется стоком. В принципе эти электроды обратимы. Третий, управляющий, электрод называется затвором.

Полевой транзистор с изменяющимся сечением канала называется транзистором с управляющим p - n - переходом, а полевой транзистор с изменяющимся удельным сопротивлением называется транзистором с изолированным затвором. К последним относятся так называемые МДП – транзисторы (метал – диэлектрик – полупроводник) и МОП – транзисторы (металл – окисел – полупроводник).

13.2 Полевой транзистор с управляющим pn переходом

13.2.1. Принцип действия, обозначение

На рис. 13.1 показана упрощенная структура полевого транзистора с управляющим p–n – переходом.

Рисунок 13.1 - упрощенная структура полевого транзистора с управляющим p–n – переходом.

Основной является пластина из полупроводника n – или p – проводимости (на рисунке эта пластина имеет проводимость типа n ). Слой под затвором имеет проводимость типа p+ , где знак «+» показывает большую проводимость этого слоя по сравнению с проводимостью пластины. На торцы пластины и область р+ наносят металлические пленки, к которым припаивают внешние выводы. Металлическая пленка и полупроводник образуют невыпрямляющие контакты.

Так как концентрация носителей заряда в р+ области больше, чем в пластине, то образующийся на их границе p–n -переход располагается главным образом в n - области.

Если внешние напряжения отсутствуют, то поле внутри канала равно нулю, поперечное сечение максимально. Если к стоку относительно истока подать положительное напряжение u_СИ > 0, то электроны n -канала устремятся от минуса к плюсу источника , образуя во внешней цепи токи i_И и i_С . Если теперь к затвору приложить отрицательное напряжение относительно истока, то есть u_ЗИ < 0, то ширина p–n – перехода увеличится, в основном в n - область, уменьшив тем самым поперечное сечение канала. Если напряжение u_СИ мало, форма p–n – перехода и канала изменятся симметрично относительно истока и стока (см. рис.13.2).

Рисунок 13.2 - Форма обеднённой области при подаче смещения .U_ЗИ <0

При |U_ЗИ| > U_ЗИ,_ОТС , где U_ЗИ,_ОТС - модуль напряжения на затворе, соответствующего полному перекрытию канала p–n -переходом, ток через канал станет равным нулю. Этот режим работы транзистора называется режимом отсечки. Если же напряжение между истоком и стоком U_СИ > 0 и |U_ЗИ| < UЗ_{И, ОТС} , то в канале будет протекать ток, который, проходя вдоль канала, создаст падение напряжения, увеличивающееся от истока к стоку (почти линейно). Поэтому область p–n -перехода у стокового конца будет шире, чем у истокового (см.рис.13.3).

Рисунок 13.3 - Уширение формы обедненной области у стока при подаче напряжения на сток U_СИ > 0 и |U_ЗИ| < U_{ЗИ, ОТС}

Рассмотрим поведение канала при увеличении напряжения U_СИ и U_ЗИ < 0 . При отрицательном напряжении затвора относительно истока ток через затвор равен нулю. По мере сужения канала линейный рост падения напряжения (и соответственно напряженности электрического поля) прекращается, и рост тока стока замедляется. При некотором значении U_СИ площадь канала сужается настолько, что поток электронов через него прекращается, это влечет за собой уменьшение падения напряжения на канале; напряженность электрического поля уменьшается, площадь канала увеличивается, ток стока увеличивается, это приводит к увеличению напряженности электрического поля и т.д. В канале устанавливается некое динамическое равновесие, при котором у стока образуется узкая горловина канала, имеющая фиксированную площадь сечения. Ток стока в этом режиме практически не зависит от напряжения U_СИ . Это так называемый режим насыщения. Напряжение между стоком и истоком, соответствующее возникновению этого режима, называется напряжением насыщения U_{СИ, НАС}

Рассмотрим протекание тока ещё более подробно с помощью рисунка 13.4

Рисунок 13.4 Распределение электрического поля, обеднённой области и ВАХ кремниевых полевых транзисторов при различных соотношениях напряжений на затворе (G) и стоке (D). (толщина кремния а расположена на изолирующей подложке)

Используя закон сохранения полного тока для любого поперечного сечения канала можем записать:

, (13.1)

где Z - ширина канала, n - концентрация электронов, v - скорость электронов, и b - толщина канала. (последние три величины зависят от координаты х).

Концентрация электронов равна концентрации легирующей примеси N_D, пока электрическое поле не превышает критического значения Ɛ_с, приводящего к насыщению скорости носителей v. Потенциал вдоль канала увеличивается от нуля до V_D на стоке. Следовательно обратное смещение перехода затвор - канал и локальная ширина обеднённого слоя также увеличиваются по мере приближения к стоку. Результирующие уменьшение толщины проводящего канала должно быть скомпенсировано увеличением дрейфовой скорости носителей вдоль канала за счёт увеличения электрического поля, так, чтобы величина полного тока оставалась неизменной по длине канала. С увеличение напряжения стока V_D электрическое поле в канале у стока (при некотором V_D=V_Dsat) достигает критического значения Ɛ_с, а скорость электронов - скорости насыщения (рис. 13.4в). При этом наименьшая ширина канала у стока достигнет минимального значения , а ток транзистора начинает насыщаться.

При дальнейшем увеличении тока стока (V_D>V_{D sat}) обеднённая область расширяется к стоку (рис. 13,4г). Однако точка х₁, где электроны впервые достигают скорости насыщения, смещается в противоположном направлении (к истоку), падение напряжения между истоком и точкой Х₁ уменьшается, и, следовательно, ширина канала в точке увеличивается ( > ). Поэтому ток инжекции электронов из электронейтральной части канала (Х<Х₁) в область насыщения дрейфовой скорости (Х₁<X<X₂) увеличивается, благодаря чему вольт-амперная характеристика транзистора на участке насыщения имеет небольшой положительный наклон.

По мере продвижения точки Х₁ к стоку потенциал в канале растёт, ширина обеднённой области увеличивается, а проводящий канал сужается. Но, поскольку скорость электронов в этой области уже не зависит от электрического поля и равна скорости насыщения, для компенсации этого сужения канала и обеспечения сохранения полного тока концентрация электронов здесь увеличивается и становится больше концентрации доноров. Поэтому в соответствии с уравнением (13.1) в части канала. где , т.е. при (Х₁<X<X₂), аккумулируются электроны, и эта часть канала оказывается заряженной отрицательно. При Х=Х₂, где глубина проводящего канала становится равной , концентрация электронов равна концентрации доноров. Этот отрицательный заряд области канала (Х₁<X<X₂) компенсируется положительным заряженным слоем (Х₂<X<X₃) с некоторым дефицитом электронов. Следовательно, часть напряжения стока, избыточная над V_Dsat, падает на дипольном слое, который расширяется в стоковой части канала при дальнейшем росте V_D.

Отрицательное напряжение на затворе (рис. 13.4,д) увеличивает ширину обеднённой области и, следовательно, сужает канал, что увеличивает сопротивление на линейном (при малых V_D) участке характеристики транзистора. При этом уменьшается напряжение V_Dsat, при котором в наиболее узкой части канала (глубиной достигается критическое поле Ɛ_с. Поэтому при V_G < 0 участок насыщения характеристики транзистора начинается при меньших напряжениях и токах, чем при V_G=0. При дальнейшем увеличении напряжения стока V_D>V_Dsat у стокового края затвора также образуется дипольный слой (рис 13.4е), обеспечивающий непрерывность полного тока в канале.

При U_СИ >> U_{СИ, НАС} или (V_D >>V_Dsat) может возникнуть пробой p–n – перехода, в этом случае ток резко увеличивается.

На принципиальных схемах полевой транзистор с управляющим p–n – переходом в соответствии с типом проводимости канала обозначается в виде, показанном на рис.13.4.

Рисунок 13.4 - Схемное обозначение полевого транзистора с управляющим pn переходом