10.4. Полевые транзисторы.

Полевой транзисторв отличие от биполярного иногда называютуниполярнымтранзистором, так как его работа основана на использованиитолько одноготипа носителей - либо электронов, либо дырок. Основным способом движения носителей заряда, образующих ток полевого транзистора, является дрейф в электрическом поле. Проводящий слой, в котором создается рабочий ток полевого транзистора, называютканалом.

Полевой транзистор- полупроводниковый усилительный прибор, которым управляет не ток (как в биполярном транзисторе), а электрическое поле (отсюда и название - полевой), осуществляющее изменение площади поперечного сечения проводящего канала. При этом изменяется выходной ток транзистора. Каналы могут быть приповерхностными (транзисторы с изолированным затвором) и объемными (транзисторы с управляющим р-n-переходом). Приповерхностный канал представляет собой либо обогащенный слой, образующийся за счет донорных примесей в полупроводнике, либо инверсный слой, возникающий под действием внешнего поля. Такой полевой транзистор имеет классическую структуру металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структуру), в которой роль диэлектрика, как правило, играет оксид (например, двуокись кремния SiО2). Поэтому полевой транзистор с такой структурой часто называют МДП- или МОП-транзистором (металл-оксид-полупроводник).

Металлический электрод, создающий эффект поля, называют затвором (З), два других электрода - истоком (И) и стоком (С). Исток и сток в принципе обратимы. Истоком служит тот из них, из которого при соответствующей полярности напряжения между истоком и стоком в канал поступают основные носители заряда, а стоком - тот электрод, через который эти носители уходят из канала во внешнюю цепь. В зависимости от того, какой из выводов является общим для входа и выхода, различают три схемы включения полевого транзистора: с общим истоком (ОИ), с общим затвором (ОЗ) и общим стоком (ОС). Наибольшее распространение на практике нашла схема ОИ.

Принцип работы полевого транзистора.В полевом транзисторе с объемным каналом площадь поперечного сечения канала меняется за счет изменения площади обедненного слоя обратно включенного р-n-перехода. На рис. 10.9 показана схема включения полевого транзистора с управляющим р-n-переходом, выполненным в виде кольца, охватывающегоn-область. Эта схема включения соответствует схеме с ОИ.

На р-n-переход затвор-исток с помощью источника питания подается обратное напряжение U_ЗИ. При его увеличении глубина d обедненного слоя (заштрихованная область на рис. 10.9) возрастает, а токопроводящее сечение b канала сужается. При этом увеличивается сопротивление канала, а следовательно, снижается выходной то I_Странзистора. Поскольку напряжение U_ЗИприкладывается к р-n-переходу в обратном направлении, ток I_Зничтожно мал и практически мало зависит от управляющего напряжения. Вследствие этого для полевых транзисторов входная характеристика не имеет практического значения.

Рис. 10.9. Схема включения полевого транзистора с управляющим р-n-переходом

Рис. 10.10. Статические вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом (схема с ОИ): а -выходные; б - передаточные

При расчете цепей с полевыми транзисторами используют передаточные и выходные ВАХ. На рис. 17.10, а, б приведены соответственно выходные и передаточные характеристики полевого транзистора с управляющим р-n-переходом для схемы включения с ОИ. Очевидно, что эти характеристики имеют нелинейный характер.

Реальная структура МДП-транзистора с каналом n-типа показана на рис. 10.11. Металлический затвор изолирован от полупроводниковой подложки слоем диэлектрика (отсюда эквивалентное название МДП-транзистора- полевой транзистор с изолированным затвором). Пусть напряжение на затворе отсутствует, т. е. UЗИ=0. Если между стоком и истоком подвести напряжение указанной на рис. 10.11 полярности, то при нулевом потенциале на затворе на пути от истока к стоку окажутся два встречно включенных р-n-перехода. Поэтому токопроводящее сечение канала b будет обладать большим сопротивлением, а выходной ток I_Cокажется ничтожно мал (примерно равен обратному току р-n-перехода). Если подать на затвор отрицательное напряжение U_ЗИ, то поверхностный слой подложки р-типа, прилегающий к металлизированной пластине затвора, обогатится дырками и значение тока I_Cпрактически не изменится. Если же приложить к затвору небольшое положительное напряжение U_ЗИи постепенно его повышать, то дырки под действием поля, создаваемого положительным напряжением затвора, будут уходить из поверхностного слоя в глубь подложки, а электроны - притягиваться, образуя обогащенный электронами поверхностный слой подложки, примыкающий к пластине затвора. Количество этих электронов значительно меньше, чем в областях подложкиn-типа, примыкающих к истоку и стоку. Однако этого количества электронов по отношению к основным носителям заряда для р-области становится достаточно, по мере возрастания положительного напряжения на затворе, для образования слоя противоположной проводимости по отношению к подложке р-типа - инверсного слоя. Этот инверсный слой и является токопроводящим каналомn-типа, замыкающим две другиеn-области подложки, примыкающие к истоку и стоку. Такой канал называется индуцированным, т. е. наведенным полем затвора. Таким образом, индуцированные каналы отсутствуют в равновесном состоянии и образуются под действием внешнего напряжения определенной полярности и определенного значения. Напряжение на затворе, при котором возникает токопроводящий канал, называется пороговым. Если выбрать подложкуn-типа, а области истока и стока сделать р-типа, то получится МДП-транзистор с индуцированным р-каналом.

Рис. 10.11. Структура МДП-транзистора

В МДП-транзисторах со встроенным каналом у поверхности полупроводника под затвором, при нулевом напряжении на затворе относительно истока, существует инверсный слой - проводящий (встроенный) канал. Этот канал практически реализуют в виде тонкого приповерхностного слоя с помощью ионного легирования. МДП-транзисторы со встроенным каналом могут работать при обеих полярностях напряжения на затворе. Передаточные и выходные ВАХ данного транзистора, включенного по схеме с ОИ, показаны на рис. 10.13.

Значение выходного тока I_Cполевого транзистора, как видно из вышеизложенного, зависит от приложенного к затвору напряжения. Причем эта зависимость нелинейная. Поэтому полевой транзистор, как и биполярный, является управляемым нелинейным элементом цепи.

Основными параметрами, характеризующими полевой транзистор как нелинейный элемент, являются:

коэффициент усиления по току

входное сопротивление

коэффициент усиления по напряжению

дифференциальное выходное (внутреннее) сопротивление

крутизна(определяется по передаточной характеристике)

Рис. 10.12. Переходные (а) и выходные (б) ВАХ МДП-транзистора с индуцированным каналом

Рис. 10.13. Переходная (а) и выходные (б) ВАХ МДП-транзистора со встроенным n-каналом

Входное сопротивление R_вхполевого транзистора очень велико (несколько МОм), поскольку, как отмечалось, значение тока затвораI_Зочень мало.

Значение параметра R_выхопределяют при работе транзистора в режиме насыщения как котангенс угла наклона выходной характеристики. Так как для полевых транзисторов режиму насыщения соответствует пологая часть выходной характеристики, то в рабочей области этот угол мал и, следовательно, выходное сопротивление оказывается достаточно большим (сотни кОм).

Крутизна передаточной характеристики отражает степень влияния входного напряжения на выходной ток, т. е. эффективность управляющего действия затвора, и составляет 1... 5 мА/В. Последние три параметра связаны соотношением

Особенности полевого транзистора.Из принципа действия полевого транзистора вытекают две основные его особенности: в установившемся режиме работы входной ток полевого транзистора стремится к нулю (т. е. R_вхстремится к бесконечности) инерционность полевого транзистора в отличие от биполярного обусловлена только процессами перезаряда его р-n-переходов.

Следует отметить, что конструкция полевого транзистора предполагает получение больших значений входных и выходных емкостей прибора. Последнее с увеличением частоты входного сигнала приводит к фактическому падению коэффициента усиления каскада на полевом транзисторе. Действительно, по постоянному току коэффициент усиления полевых транзисторов стремится к бесконечности (входной ток стремится к нулю). При увеличении частоты входного сигнала входной ток полевого транзистора, определяемый его входной емкостью, растет, что эквивалентно снижению значения коэффициента усиления. Поэтому принято считать, что в общем случае по быстродействию, усилению и частотным свойствам полевой транзистор, как правило, не имеет преимуществ перед биполярным транзистором.

Основными преимуществами полевого транзистора являются его высокое входное сопротивление по постоянному току и большая технологичность. Последнее обусловливает широкое применение полевых транзисторов при разработке цифровых интегральных схем.

Дискретные полевые транзисторы, выпускаемые промышленностью, классифицируют по мощности и частоте аналогично биполярным.