Глава 6. Полевые (униполярные) транзисторы

Принцип действия полевых транзисторов совсем иной, чем рассмотрен­ных ранее обычных транзисторов. Например, в протекании тока в полевок транзисторе участвуют только основные носители одного знака (полупроводник одного типа): только дырки или только элек­троны. Отсюда и термин "униполярный". С этой точки зрения рас­смотренные ранее транзисторы называют биполярными (в них используются полупроводники обоих типов). Далее, величина тока полевого транзистора управляется электрическим полем (а не током эмиттера, как в биполярном транзисторе). Отсюда про­исходит второе название - полевой транзистор. В этом отноше­нии полевые транзисторы имеют много общего с электронно-вакуум­ными лампами.

Имеется несколько разновидностей полевых тран­зисторов:

1. Полевой транзистор (ПТ) с управляющим p-n переходом. Наиболее простой вариант этой разновидности – унитрон (дискретный вариант) предложен В. Шокли ещё в 1952 г. В настоящее время название “полевой транзистор” относят только к этой разновидности (для сокращения длинного названия). Полевые транзисторы используют и в интегральных схемах. Однако применение их ограничено из-за их невысокого быстродействия. Вместе с тем, рассмотрение простейшей модели ПТ – унитрона существенно упрощает понимание принципа действия более современных ПТ.

2. Полевые транзисторы с изолированным затвором, получившие название МДП-транзисторов (МОП-транзисторов). МОП-транзисторы очень широко применяются в интегральных схемах.

3. Полевые транзисторы со специфическими свойствами. Сюда отнесём МОП-транзисторы с плавающим затвором, двухзатворные МОП-транзисторы, МНОП-транзисторы и полевые транзисторы с барьером Шотки (ПТШ), которые широко применяются в цифровых микросхемах.

6.1. Унитрон

Самой простой моделью унитрона является брусок кремния п-типа а о невыпрямляющими контактами на концах, в боковых по­верхностях которого методом вплавления индия образованы два со­единенных параллельно р-п перехода, как показано на рис.6.1,а.

Можно получить унитрон и вплавлением донора в брусок крем­ния p‑типа. В дальне­йшем, для определенности, рассматривают­ся только полевые транзисторы, выполненные из полупроводника n-типа. Интегральные ПТ выполняются по типу рассмотренных далее МОП-транзисторов. Принцип действия интегрального ПТ такой же как и у унитрона. Вывод от р-области р-п перехода (от капли индия) называют затвором 3, выводы от невыпрямляющих контактов крем­ниевого бруска – истоком И (контакт, из которого втекают в канал под­вижные носители-электроны) и стоком С.

а б

Рис. 6.1

Полевой транзистор (по аналогии с биполярным) можно включать в схеме с общим истоком ОИ (аналогичен ОЭ), общим затвором ОЗ (аналогичен ОБ), общим стоком ОС (аналогичен ОК). На затвор подается обратное для р-п перехода напряжение. Величина тока стока I_C будет опре­деляться величиной напряжения между стоком и истоком U_С и со­противлением канала (каналом называют область кремниевого брус­ка между р-п. переходами, отсюда еще одно название - каналь­ный транзистор). Условное обозначение такого транзистора и схема его включения с общим истоком (ОИ) приведены на рис.6.1,б. При увеличении обратного напряжения на затворе U_З (по отношению к истоку) р-п переход расширяется, преимущественно в сторону канала (брусок выбирается высокоомным), как показано пунктиром на рис.6.1,а. Уменьшается поперечное сечение канала, а сопротив­ление канала увеличивается, при этом ток в канале I_С уменьша­ется. Такой режим называют режимом обеднения. Таким образом, за счет изменения обратного напряжения на затворе U_З (за счет изменения поля в р-п переходе) происходит управление током в канале I_С (ток затвора при этом равен обратному току р-п перехода I_О). На рис.6.2,а приведены выходные (стоковые) статические характеристики унитрона, представляющие зависимость тока стока I_С от напряжения между стоком и истоком U_С при постоянном напряжении на затворе U_З:

а б

Рис. 6.2

На каждой характеристике при увеличении напряжения U_С появ­ляется почти горизонтальный участок (вправо от точки H). Режим, соответствующий этому участку, называют режимом насыщения, а напряжение U_С, с которого начинается насыщение - напряжением насыщения U_СН . Насыщение обусловлено тем, что напряжение на р-п переходе не одинаково по длине перехода: у стока оно рав­но сумме U_З+U_С, у истока - только напряжению на затворе Uз. Значит, и расширение р-п перехода у стока (вверху) больше, чем у истока (внизу), как показано пунктиром на рис.6.1,а. При напряжении насыщения (точка Н) проводящий канал почти пе­рекрывается р-п переходом у стока (образуется узкая горловина). Дальнейшее увеличение напряжения Uc почти не увеличивает тока, а приводит к увеличению длины горловины (на которой и происходит дальнейшее увеличение напряжения). В крутой части (влево от точки Н) ток Ic сильно зависит от напряжения стока Uc (при малом токе Ic зависимость почти линейная) и все характеристики проходят через начало координат. При напряжении на затворе, называемом напряжением отсечки, происходит полное пе­рекрытие канала (смыкание р-п перехода) и ток в канале не протекает. Кроме стоковых (выходных), используют еще затворно-стоковые характеристики (характеристики прямой передачи), пред­ставляющие зависимость тока Ic от напряжения Uз, при фиксиро­ванном напряжении стока U_C : I_C = f(U_З)_Uc=const, приве­денные на рис.6.2,б. Однако в большинстве случаев информации, содержащейся в выходных характеристиках, бывает достаточно и надобности в затворно-стоковых характеристиках не возникает.

6.2. МОП-транзистор

По-настоящему широкое распространение полевые транзисторы получили лишь с появлением транзисторов с изолированным затвором. У таких транзисторов затвор представля­ет собой металлический слой, изолированный от полупроводникового канала тонкой диэлектрической пленкой. В названии таких транзис­торов (ВДП-транзиоторы) учтена их структура (металл - диэлектрик - полупроводник).

Наибольшее распространение получили кремниевые транзисто­ры, диэлектриком в которых является окисел (двуокись кремния), так называемые МОП-транзисторы (со структурой металл - окисел - полупроводник) (см. рис.6.3,а). Особенно широко МОП-транзисторы используются в ин­тегральных схемах ввиду простоты технологии их изготовления и ма­лой мощностью потребления. Имеется две разновидности МОП-тран­зисторов: со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В свою очередь, каждый из них может быть как с каналом п-типа (n-канальный), так и с каналом р-типа (р-канальный).

6.2.1. МОП-транзистор со встроенным каналом

На рис.6.3,а приведена структура МОП-транзистора со встроен­ными каналами n-типа и схема включения с общим истоком. Исток и сток такого транзистора образованы сильно легированными n⁺ областями в относительно высокоомной подложке - кристалле p-типа. Между стоком и истоком технологическими приемами создает­ся тонкий канал n-типа с большим сопротивлением из-за малой толщины канала. Такой транзистор называют МОП-транзистором со встроенным каналом. Канал между стоком и истоком покрыт плен­кой диэлектрика – двуокиси кремния. На пленку диэлектрика на­носится металлическая пленка М, являющаяся затвором. Длина кана­ла составляет единицы мкм. Условное обозначение такого тран­зистора и схема его включения ОИ показаны на рис.6.3,б. При силь­ном упрощении принцип действия такого транзистора можно объяс­нить так:

1. При отрицательном напряжении на затворе Uз (относитель­но истока) электроны "отталкиваются" электрическим полем от по­верхности (т.е. из канала) в глубь подложки, а дырки подходят из подложки к поверхности. Проводимость канала уменьшается.

а б

Рис. 6.3

Такой режим называют режимом обеднения (как в унитроне).

При некоторой величине отрицательного напряжения на затво­ре, называемом напряжением отсечки U_отс, n-канал исчезает сов­сем. Остаются только сток и исток n⁺-типа и окружающая их под­ложка р-типа, с которой сток и исток образуют два встречно включенных р-п перехода. Ток стока при этом не протекает. Таким образом, МОП-транзистор со встроенным каналом в режиме обеднения подобен унитрону, только ток затвора в нем во много раз меньше.

2. При положительном напряжении на затворе электроны "вы­тягиваются" полем из подложки (в подложке электроны - неоснов­ные носители) к поверхности, т.е. в канал. Электроны в канал поступают и из полуметаллических n⁺-слоев истока и стока. Дырки же "отталкиваются" полем в глубь подложки. Проводимость канала при этом увеличивается. Такой режим называют режимом обогащения (в унитроне он невозможен). На рис.6.4,а приведены статические выходные (стоковые) характеристики МОП-транзистора со встроенным каналом n-типа. Они аналогичны характеристикам унитрона с той лишь разницей, что МОП-транзистор со встроенным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения. На рис.6.4,б показаны затворно-стоковые характерис­тики (характеристики прямой передачи), отличающиеся от аналогичных ха­рактеристик унитрона использованием положительных (U_ЗИ > 0) и отрицательных (U_ЗИ < 0) напряжений на затворе, соответствую­щих режимам обогащения и обеднения соответственно.

а б

Рис. 6.4

6.2.2. МОП-транзистор с индуцированным каналом n-типа

Этот транзистор отличается только тем, что при изготовле­нии не получают проводящего канала между истоком и стоком (рис.6.5,а).

а б

Рис. 6.5

Сильно легированные области стока и истока n⁺-типа образуют с подложкой p-типа два встречно включенных p-n перехода, поэтому ток между стоком и истоком (I_с) при U_3н≤0 протекать не может. Режим обеднения в этом транзисторе невозможен. При положительном напряжении затвора U_З, под действием элект­рического поля электроны "вытягиваются" из р-подложки и из областей истока и стока к поверхности под затвором, а дырки отталкиваются в глубь подложки. При некотором положительном на­пряжении затвора, называемом пороговым U_пор, на поверхности под затвором концентрация электронов превышает концентрацию дырок, т.е. возникает (индуцируется) канал n-типа. Такой тран­зистор называют МОП-транзистором c индуцированным каналом. Условное обозначение такого транзистора и схема его включения показаны на рис.6.5,б. При увеличении напряжения затвора сверх порогового Uз>U_пор проводимость канала увеличивается, т.е. наступает режим обогащения. На рис.6.6,а приведены статические входные (стоковые) характеристики МОП-транзистора с индуциро­ванным каналом. Основное отличие этих характеристик от предыду­щих обусловлено тем, что МОП-транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения (Uз>0) и имеет параметр – пороговое напряжение U_пор. На рис.6.6,б показаны затворно-стоковые характеристики этого транзистора. МОП-транзис­торы с индуцированным каналом проще в изготовлении, т.к. отсут­ствуют технологические операции по "встраиванию" канала. Они более перспективны для применения в микросхемах.

а б

Рис. 6.6