Глава 5. Полевые транзисторы.

1. Введение.

Работа полевых транзисторов основана на использовании только одного типа носителей - основных (электронов или дырок). Процессы инжекции и диффузии в таких транзисторах практически отсутствуют, во всяком случае, не играют принципиальной роли. Основным механизмом движения носителей является дрейф в электрическом поле.

Для того чтобы управлять током в полупроводнике при постоянном электрическом поле, нужно менять либо удельную проводимость полупроводникового слоя, либо его площадь. На практике используется и тот и другой способ, причем в основе обоих способов лежит эффект поля.

Проводящий слой, по которому проходит рабочий ток, называется каналом. Каналы могут быть приповерхностными и объемными. Приповерхностные каналы представляют собой либо обогащенные слои, обусловленные наличием донорных примесей в диэлектрике, либо инверсионные слои, образующиеся под действием внешнего поля. Объемные же каналы представляют собой участки однородного полупроводника, отделенные от поверхности обедненным слоем.

Транзисторы с приповерхностным каналом имеют классическую структуру металл-диэлектрик-полупроводник. Их называют МДП-транзисторами. В частном случае, если диэлектриком является окисел (двуокись кремния SiO₂), используется название МОП-транзисторы.

Транзисторы с объемным каналом характерны тем, что обедненный слой создается с помощью p-n перехода. Поэтому их часто называют полевые транзисторы с управляющим p-n переходом. Однако это название длинное и неудобное. Поэтому в литературе их просто называют полевыми транзисторами. Исходя из вышесказанного, можно предложить следующую классификацию полевых транзисторов, которая вместе с условными обозначениями представлена на рис. 5.1.

Рис.5.1.

Здесь: И – исток, С – сток, З – затвор. Функциональное назначение этих электродов будет описано ниже.

Рассмотрим основные различия между биполярными и полевыми транзисторами.

- В биполярных транзисторах существенную роль играют два типа носителей заряда: основные и неосновные.

- В биполярном транзисторе управление выходным током осуществляется с помощью входного тока базы или эмиттера. Что неизбежно связано со сравнительно малым входным сопротивлением. В ряде случаев это не является недостатком, а скорее преимуществом. Например, при малом входном сопротивлении всякого рода наводки посторонних напряжений оказываются значительно меньшими, чем при высоком входном сопротивлении. Однако, иногда крайне важно иметь очень большое входное сопротивление. Благодаря управлению электрическим полем входное сопротивление полевых транзисторов для постоянного тока и на низких частотах переменного тока может быть очень большим: 10¹² – 10¹³ Ом.

- Технология изготовления полевых транзисторов значительно проще, чем биполярных. Особенно важно, что полевые транзисторы в микросхемах занимают значительно меньшую площадь на один транзистор и потребляют гораздо меньший ток. Это позволяет создавать большие и сверхбольшие интегральные микросхемы (БИС и СБИС).

- В биполярных транзисторах с увеличением температуры увеличивается число генерируемых неосновных носителей, а, следовательно, возрастает ток. В полевых транзисторах ток зависит от концентрации основных носителей и их подвижности. Концентрация зависит от степени легирования и не зависит от температуры. Вследствие тепловых колебаний кристаллической решетки с ростом температуры подвижность носителей в канале падает, что приводит к уменьшению тока и крутизны характеристик транзистора. Полевой транзистор в отличие от биполярного транзистора, температурно устойчив, так как повышение температуры вследствие прохождения тока вызывает увеличение сопротивления канала. Наряду с полевыми транзисторами, в которых наблюдается уменьшение стокового тока с ростом температуры, выпускаются полевые транзисторы, у которых ток стока возрастает с повышением температуры, а также транзисторы, имеющие нулевой температурный коэффициент при некотором значении напряжения на затворе. Различный характер температурных характеристик объясняется тем, что изменение температуры влияет не только на подвижность носителей и связанное с этим объемное рассеяние, но и на поверхностное рассеяние в канале, имеющее обратную температурную зависимость. При температурах, близких к абсолютному нулю, кремниевые и германиевые биполярные транзисторы работать не могут, тогда как униполярные транзисторы работают.

Полевые транзисторы – наиболее распространенный сегодня класс транзисторов. На основе кремниевых МОП-транзисторов в настоящее время создаются сложные интегральные схемы: микропроцессоры, цифровые сигнальные процессоры, запоминающие устройства ЭВМ. Полевые транзисторыс барьером Шоттки используются для создания низкошумящих и мощных усилителей в СВЧ технике. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом используются в радиоэлектронике в качестве низко шумящих усилителей с высоким входным сопротивлением, электронных ключей, стабилизаторов тока и как резисторы, управляемые напряжением.