12 Униполярные транзисторы

Униполярный (полевой) транзистор – это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей заряда, протекающим через проводящий канал и управляемый электрическим полем.

Униполярные транзисторы подразделяются на два больших класса: с управляющими р-п переходами и изолированным затвором.

Если в униполярном транзисторе с изолированным затвором в качестве изоляционного слоя между металлическим затвором и проводящим каналом используется оксид полупроводника, то такие транзисторы называют МОП - транзисторы (металл – окисел – полупроводник) или MOS - транзисторы (metal – oxide – semiconductor).

Если в униполярном транзисторе с изолированным затвором в качестве изоляционного слоя между металлическим затвором и проводящим каналом используется диэлектрик, то такие транзисторы называют МДП-транзисторы (металл – диэлектрик – полупроводник).

В свою очередь униполярные транзисторы с изолированным затвором подразделяются на транзисторы с индуцированным (наведенным) каналом и транзисторы со встроенным каналом.

Условно-графические обозначения униполярных (полевых) транзисторов приведены на рис.12.1.

12.1 Структура и принцип работы униполярного транзистора с управляющим р-п переходом

Полевой транзистор с управляющим р-п переходом – это униполярный транзистор, управление потоком основных носителей в котором происходит с помощью выпрямляющего перехода, смещенного в обратном направлении. В качестве выпрямляющего перехода может использоваться р-п переход или выпрямляющий переход Шотки.

Полевой транзистор и управляющим р-п переходом имеет два омических контакта к области полупроводника, по которой протекает управляемый поток основных носителей заряда, и один (рис.12.2 а) или два (рис.12.2 б) управляющих р-п перехода, смещенных в обратном направлении (рис.12.2 в). При изменении обратного напряжения на управляющем р-п переходе изменяется его толщина, а следовательно и толщина области, по которой проходит управляемый поток основных носителей заряда. Эта область называется проводящим каналом. Электрод полевого транзистора, через который в проводящий канал входят носители заряда, называется истоком (на рис.12.1 а, б - это нижний правый вывод). Электрод полевого транзистора, через который из проводящего канала выходят носители заряда, называется стоком (на рис.12.1 а, б это верхний правый вывод). Электрод полевого транзистора, на который подают сигнал, управляющий шириной проводящего канала, называется затвором (на рис.12.1 а, б это нижний левый вывод).

Проводящий канал может иметь как п-, так и р-тип проводимости. Соответственно этополевые транзисторы с п- и р-каналом. Полевые транзисторы с разными типами проводящего канала называются комплементарными. Комплементарные транзисторы оказываются удобными для построения ряда схем, поскольку полярности напряжений смещений, подаваемых на электроды комплементарных полевых транзисторов, противоположны.

Управление током стока, т.е. током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на р-п переходе затвора (или на двух р-п переходах одновременно). В связи с малостью обратных токов мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая мощность от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электрических сигналов как по мощности, так по току и напряжению.

При отсутствии напряжения на затворе (U_ЗИ=0) проводящий канал полностью открыт и поток основных носителей заряда легко переносится от истока к стоку, создавая максимальный ток стока, который называется начальным током стока (рис.12.2 в, область 1). При подаче обратного (отрицательного) напряжения на затвор (U_ЗИ<0)происходит расширение обратно смещенного р-п перехода и проводящий канал сужается, уменьшая поток основных носителей заряда, а соответственно и ток стока (рис.12.2 в, область 2). При некотором отрицательном напряжении на затворе (U_ЗИ = U_ОТС), которое называется напряжением отсечки U_ЗИотс, области обратно смещенных р-п переходов смыкаются, полностью перекрывая проводящий канал (рис.12.2 в, область 3). Поток основных носителей заряда прекращается, и ток стока практически становится равным нулю. При дальнейшем изменении напряжения на затворе ток стока практически не изменяется.

В отличие от биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом осуществляется входным током, а в полевом транзисторе - входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление, что обусловлено обратным смещением управляющего р-п перехода. В-третьих, из-за отсутствия процессов инжекции и рекомбинации неосновных носителей заряда (что имеет место в биполярных транзисторах) полевые транзисторы обладают низким уровнем шумов, особенно низкочастотных.

Поскольку полевые транзисторы имеют большие входные и выходные сопротивления, статические характеристики полевых транзисторов следует исследовать с помощью источников напряжения в качестве источников питания. Важнейшими характеристиками полевого транзистора является семейство выходных статических характеристик и семейство передаточных характеристик:

1. Выходная характеристика – это зависимость выходного тока от выходного напряжения при фиксированном значении входного напряжения: .

2. Характеристика передачи тока - это зависимость выходного тока от входного напряжения при фиксированном значении выходного напряжения: .

Для схемы включения полевого транзистора с управляющим р-п переходом с общим истоком выходная и передаточная характеристики приведены на рис.12.3. Рассмотрим вначале характер одной зависимости . Эта характеристика выходи из начала координат под углом, соответствующим начальному статическому сопротивлению канала и сопротивлениям областей стока и истока, прилегающих к проводящему каналу с тем же типом проводимости. Статическое сопротивление канала определяется его технологическими размерами. Первая часть характеристики, которую называют крутой частью, сублинейна, т.е. ток стока растет замедленно с возрастанием напряжения на стоке. Это связано с неэквипотенциальностью прохождения тока стока по каналу, поскольку последний имеет более узкую часть в области, прилегающей к стоку (см.рис.12.2 в). После перекрытия проводящего канала, ток стока практически не зависит от выходного напряжения, и выходная характеристика имеет пологую часть. ПриU_ЗИ=0 ток стока будет максимальным и называется начальным током стока I_СТнач.

По мере увеличения U_ЗИ значение максимального тока стока уменьшается, что связано с уменьшением размеров проводящего канала. При некотором напряжении на затворе равном напряжению отсечки U_ЗИотс, канал полностью перекрывается и ток стока становится равным нулю, что хорошо видно на передаточной характеристике (рис.12.3 б).