Полевые транзисторы Теоретические сведения

Полевые транзисторы – это полупроводниковые приборы, в которых изменение силы тока, протекающего вдоль тонкой проводящей области (канала) полупроводникового кристалла, осуществляется за счёт изменения электрического сопротивления этой области в результате действия на неё поперечно направленного электрического поля, создаваемого с помощью управляющего электрода затвора (ЭЗ).

Полевые транзисторы управляются напряжением.

Полевые транзисторы могут иметь каналы с дырочной проводимостью (каналы p-типа) и каналы с электронной проводимостью (каналы n-типа). Ток в канале создаётся в результате перемещения основных свободных носителей электрического заряда. Поэтому они также называются униполярными транзисторами (в отличие от биполярных транзисторов).

Внешние выводы транзистора, через которые проходит управляемый ток канала, называются истоком (И) и стоком (С). Движение основных носителей электрического заряда вдоль канала происходит от истока к стоку (хотя принципиально возможно и другое направление движения заряженных частиц, в отличие от БПТ). Внешний вывод транзистора, соединённый с управляющим электродом, называется затвором (З).

Кроме того, полевые транзисторы могут иметь внешний вывод подложку (П), соединённый с несущей частью полупроводникового кристалла.

По принципу действия полевые транзисторы бывают следующих видов:

▪ с управляющим p-n-переходом (рис. 1, а);

▪ с управляющим переходом Шотки;

▪ с изолированным затвором.

В полевых транзисторах с изолированным затвором канал может быть встроенным (т.е. созданным при изготовлении транзистора) или индуцированным (т.е. наводящимся под воздействием управляющего напряжения). Поэтому различают два типа полевых транзисторов с изолированным затвором: МДП-транзисторы со встроенным каналом (рис. 1, б) и МДП-транзисторы с индуцированным каналом (рис. 1, в).

Характерным для всех полевых транзисторов являетсяочень малый ток в цепи затвора в статическом режиме работы, т.к. ЭЗ либо изолирован от канала слоем диэлектрика, либо между ним и каналом имеется p-n-переход (или переход Шотки), на который в рабочем режиме работы транзистора подаётся напряжение обратной полярности. Поэтому полевой транзистор при низких частотах входного сигнала обладает большим значением входного сопротивления (Ом). В этом заключается существенное отличие полевых транзисторов от биполярных, во входной цепи которых в активном режиме работы протекает значительный ток (особенно при включении биполярного транзистора по схеме с общей базой). Отсюда следует, чтополевой транзистор – это электронный прибор, управляемый напряжением (электрическим полем).

В микроэлектронике наибольшее применение находят транзисторы с изолированным затвором. Транзисторы с управляющим переходом Шотки на основе арсенида галлия используется для создания быстродействующих цифровых интегральных микросхем и в электронных устройствах СВЧ. Транзисторы с управляющим p-n-переходом на основе кремния являются относительно низкочастотными приборами.

Полевые транзисторы с управляющимp-n-переходом. Кристалл полупроводника в простейшем варианте конструкции транзистора (рис. 2) состоит из p⁺- и n-областей. К внешней поверхности р⁺-области прилегает электрод затвора (ЭЗ), канал образован n-областью кристалла. Внешние выводы И и С электрически связаны с каналом через электроды ЭИ и ЭС.

Между р⁺- и n-областями существует p-n-переход. Линия, изображающая границу p-n-перехода со стороны р⁺-области, обозначена буквой α, а линия, изображающая границу p-n-перехода со стороны n-канала – буквой β (индексы 0, 1, 2, 3 при букве β соответствуют различным режимам работы транзистора).

В рабочем режиме на p-n-переход подаётся управляющее напряжение U_зи обратной полярности (U_зи < 0). При возрастании абсолютного значения этого напряжения увеличение толщины p-n-перехода происходит за счёт его расширения в основном в сторону менее легированной n-области (канала). При этом сопротивление канала возрастает из-за уменьшения площади поперечного сечения его рабочей области, т.к. через область объёма канала, занятой p-n-переходом, ток практически не протекает. Это обусловлено тем, что p-n-переход обладает высоким значением электрического удельного сопротивления, а вероятность проникновения электронов рабочей области канала в область p-n-перехода близка к нулю из-за возрастания потенциального барьера p-n-перехода под действием приложенного к нему напряжения обратной полярности (U_зи).

При одновременном действии напряжений U_зи и U_си обратное напряжение на p-n-переходе создаётся их совместным действием. Около ЭИ численное значение обратного напряжения на p-n-переходе равно значению |U_зи|. Т.к. потенциал ЭС выше потенциала ЭИ на значение U_си > 0, то численное значение обратного напряжения на p-n-переходе постепенно возрастает в направлении от ЭИ до ЭС начиная с уровня |U_зи| до уровня |U_зи|+|U_Си|. Поэтому при U_си = 0 сужение толщины канала по всей её длине происходит одинаково и нижняя граница p-n-перехода представляет собой горизонтальную плоскость, обозначенную на рис. 2 в виде линии β₀ . При U_си > 0 линия, изображающая нижнюю границу p-n-перехода искривляется так, что толщина канала около ЭИ оказывается большей, чем около ЭС. При этом для значений U_си , равных U_си1 , U_си2 , U_си3 (U_си1 < U_си2 < U_си3 ), нижняя граница p-n-перехода принимает положения, обозначенные на рис. 2 соответственно линиями β₁ , β₂ , β₃ .

Из сказанного следует, что ток стока I_c в статическом режиме является функцией двух переменных (U_зи и U_си). Поэтому основными статическими вольт-амперными характеристиками (ВАХ) являются:

▪ семейство выходных (стоковых) характеристик, состоящее из множества функций I_С(U_си) с фиксированным параметром U_зи (рис. 3);

▪ семейство передаточных (стокозатворных) характеристик, состоящее из множества функций переменной I_С(U_зи) с фиксированным параметром U_Си (рис. 4).

При малых значениях напряжения U_си зависимости I_с(U_си) близки к линейной функции. По мере увеличения напряжения U_си крутизна этих графиков постепенно уменьшается и при превышении некоторого уровня (напряжение насыщения), зависящего от значенияU_зи , кривые графиков становятся почти горизонтальными линиями.

Уменьшение крутизны графиков по мере увеличения U_си обусловлено уменьшением толщины канала вблизи ЭС под действием напряжения U_си . При достижении этим напряжением некоторого значения толщина канала около ЭС уменьшается до нуля (происходит перекрытие правого конца канала). Нижняя граница области p-n-перехода в этом режиме работы транзистора на рис. 2 обозначена линией β₂ . При U_си >  нижняя граница области p-n-перехода изменяется так, что протяжённость области перекрытия канала достигает некоторого значения ∆L. Такому режиму соответствует нижняя граница p-n-перехода, обозначенная линией β₃ . Дальнейшее увеличение U_си приводит к возрастанию ∆L, и некоторому уменьшению длины неперекрытой части канала L_к . Это явление называют эффектом модуляции длины канала. При этом к области перекрытия канала длинной ∆L приложено напряжение ∆U = U_си – , обеспечивающее прохождение токаI_c через эту область. Поэтому в режиме, когда U_си > , увеличениеU_си приводит к незначительному нарастанию тока I_c .

Напряжение насыщения определяется в соответствии с равенством:

|| = || – ||,

где – напряжение отсечки (значение напряженияU_зи < 0, при котором происходит перекрытие канала по всей её длине), когда ток I_c становится близким к нулю.

Ток стока при напряжении U_зи = 0 и напряжении U_си || называется начальным током стока транзистора ().

При достаточно больших значениях напряжения U_си возникает пробой области p-n-перехода вблизи стока, что сопровождается резким возрастанием тока I_c . Чем больше U_зи , тем меньше напряжение U_си , при котором начинается пробой, т.к. обратное напряжение на p-n-переходе вблизи правого (стокового) конца канала равно сумме |U_си|+|U_зи|.

В режиме насыщения тока I_c , когда U_си > передаточная характеристика достаточно хорошо аппроксимируется выражением

;

гдеα – параметр аппроксимации; α = 1,5...2,5.

В варианте планарной структуры кристалла полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом (рис. 5) между концами канала n-типа и электродами ЭИ и ЭС созданы n⁺-области с высокой концентрацией донорной примеси. Это позволяет уменьшить сопротивления между электродами ЭИ и ЭС и n-каналом. Электроды ЭИ, ЭЗ, ЭС расположены на одной грани кристалла полупроводника. Поверхность этой грани покрыта защитной оксидной плёнкой (SiO₂).

При создании этой структуры в кристалле кремния p-типа (подложке) сначала путём диффузии через верхнюю грань кристалла вводится донорная примесь (при этом образуется n-область), а затем в эту область через окна (незащищённые слоем SiO₂ участки поверхности кристалла) вводятся атомы примесей для образования p⁺- и n⁺-областей кристалла. Канал n-типа создан между верхним и нижним p-n-переходами кристалла.