5. Польові транзистори

5.1. Типи польових транзисторів

Струм напівпровідникового бруска n-типу лінійно залежить від напруги. Коефіцієнтом пропорційності є його провідність, яка дорівнює

G = s_nA/L = nqm_n A /L, (5.1)

де s_n = qnm_n – питома електрична провідність; А – поперечний переріз бруска; L – довжина бруска.

Для побудови активних приладів необхідно забезпечити майже безінерційне керування провідністю. Із рівняння (5.1) видно, що є два способи, за допомогою яких можна здійснювати модуляцію провідності бруска: зробити залежними від керувальної напруги концентрацію носіїв n або геометрію зразка А/L. Заряд електрона q – це універсальна стала. Нею неможливо керувати, так само, як і рухомістю електронів m_n та довжиною бруска L.

Для створення ПТ використовують способи керування питомою електричною провідністю матеріалу s_n або поперечним перерізом провідного каналу (А), по якому рухаються основні носії заряду. Залежно від цього виділяють два різновиди ПТ: з ізольованим затвором та з керувальним електричним переходом.

Польовий транзистор має три напівпровідникові ділянки одного і того ж типу провідності, які називають витоком (S), каналом і стоком (D), а також керувальний електрод – затвор (G). У транзисторі використовується рух носіїв заряду тільки одного знака (основних носіїв), які з витоку через канал рухаються до стоку. Цим пояснюються назви: витік – це ділянка, з якої виходять (витікають) носії заряду, а стік – ділянка, куди вони входять (стікають). Електричне поле, яке виникає за наявності напруги між затвором та стоком, змінює електропровідність каналу, а отже, і струм через канал. Це керувальне електричне поле направлене перпендикулярно до руху носіїв у каналі, тобто є поперечним. Воно формується і змінюється малопотужними інформаційними сигналами. Носії в каналі рухаються від витоку до стоку під дією поздовжнього електричного поля, створюваного між стоком та витоком, при підключенні зовнішнього потужного джерела живлення. Таким чином, ПТ, як і БТ, за рахунок майже безінерційної зміни провідністі дозволяють керувати потужністю від джерела енергії в навантаження, тобто реалізувати принцип реле (див. рис. 1.1, 1.2 , 4.12).

У ПТ з ізольованим затвором між металевим затвором і каналом знаходиться прошарок діелектрика так, що утворюється структура метал – дієлектрік – напівпровідник. Тому такі транзистори називають МДН-транзисторами. Напівпровідником для ПТ з ізольованим затвором здебіль­шого є кремній. Як дієлектрик під затвором використовують переважно шар оксиду кремнію SiO₂. У такому разі це структура метал – оксид – напів­провідник. Такі транзистори називають МОН-транзисторами; пошире­ні­шою є загальна назва – МДН-транзистори. Поперечне електричне поле в цих транзисторах проникає через тонкий шар діелектрика і модулює концентрацію носіїв заряду в каналі. Створені два різновиди МДН-транзисторів: з індукованим каналом та з вбудованим каналом.

У ПТ з керувальним електричним переходом створюється випрямний контакт, на який в робочому режимі подається зворотна напруга. Вона змінює товщину збідненого шару і таким чином керує поперечним перерізом провідного каналу та числом носіїв зарядів, що переміщуються від витоку до стоку, а отже, струмом і провідністю ПТ.Як випрямний електричний контакт у таких ПТ використовується p-п‑перехід або випрямний перехід Шотткі.

Польові транзистори розрізняють також за типом провідності каналу: транзистори з р-каналом і транзистори з n-каналом.

Характерним для всіх ПТ є дуже малий струм у колі затвора, оскільки затвор може бути або ізольованим або ж утворювати з каналом випрямний перехід, що вмикається у зворотному напрямі. Затвор в електронних схемах зазвичай є вхідним електродом, а тому ПТ мають високий вхідний опір за постійним струмом (понад 10⁸...10¹⁰ Ом). У цьому полягає найважливіша відмінність ПТ від БТ, у вхідному колі яких протікає значний струм при прямій напрузі на емітерному переході, зумовлюючи тим самим дуже малий вхідний опір БТ (десятки – сотні омів у схемах із СБ і СЕ). Тому інколи кажуть, що ПТ – це прилад, що керується напругою (електричним полем), а БТ прилад, що керується струмом.