Тема 1. Полупроводниковые приборы

Лекция 4. Полевые транзисторы

1. Устройство и принцип действия.

2. Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов.

Литература: 1. Опадчий Ю.Ф.и др. Аналоговая и цифровая электроника

(Полный курс): Учебник для вузов / Ю. Ф. Опадчий, О. П.

Глудкин, А. И. Гуров; Под ред. О. П. Глудкина. – М.:

Горячая линия – Телеком, 2002.

2. Лачин В. И., Савелов Н. С. Электроника: Учеб. пособие.

4-е изд. – Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2004.

1 Устройство и принцип действия

В полупроводниковой электронике наряду с биполярными транзисторами находят применение транзисторы, управляемые электрическим полем, одной из положительных особенностей которых является большое входное сопротивление (составляет 1 … 10 МОм). Такие транзисторы получили название полевых (униполярных).

Полевыми (униполярными) транзисторами называют полупроводниковые приборы, в которых создание электрического тока обусловлено перемещением носителей заряда одного знака под действием продольного электрического поля, а управление выходным током основано на модуляции сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем.

Принцип работы полевых транзисторов основан:

• либо на зависимости сопротивления полупроводника от сечения его проводящей области (чем меньше сечение – тем меньше ток). Реализован в полевых транзисторах с управляющим р-п-переходом;

• либо на зависимости проводимости полупроводника от концентрации основных носителей. Реализован в полевых транзисторах с изолированным затвором структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзисторы).

Полевой транзистор с управляющим р-п-переходом (ПТУП) представляет собой тонкую полупроводниковую пластину с одним р-п-переходом и с невыпрямляющими контактами по краям. Электропроводность материала пластины может быть п-типа или р-типа. В качестве примера рассмотрим транзистор, у которого основная пластина состоит из полупроводника n-типа (рисунок 1).

Рисунок 1

Основными областями в структуре полевого транзистора с управляющим р-п-переходом являются:

• область истока – область, от которой начинают перемещение носители зарядов;

• область стока – область, к которой перемещаются носители;

• область затвора – область, с помощью которой осуществляется управление потоком носителей;

• область канала – область, через которую перемещаются носители.

Выводы от соответствующих областей транзистора имеют аналогичные названия: исток (И), сток (С) и затвор (3) (рисунок 1).

а б

Рисунок 2

На рисунке 2 показаны условные графические обозначения полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом: с каналом п-типа (рисунок 2, а) и каналом р-типа (рисунок 2, б).

Рассмотрим принцип функционирования ПТУП. Источники напряжения подключают к транзистору таким образом, чтобы между электродами стока и истока протекал электрический ток, а напряжение, приложенное к затвору, смещало электронно-дырочный переход в обратном направлении.

На рисунке 3 показан способ подключения источников напряжения к выводам ПТУП с каналом п-типа.

I_C

Рисунок 3

Под действием напряжения источника Е_СИ электроны будут перемещаться от истока к стоку, обеспечивая во внешней цепи ток стока I_C.

Концентрации носителей зарядов в полупроводниковом материале канала и затвора выбраны таким образом, что при подаче обратносмещающего напряжения между затвором и истоком р-п-переход будет расширяться в область канала. Это приводит к уменьшению площади поперечного сечения проводящей части канала и, следовательно, к уменьшению тока стока I_C.

Сопротивление области, расположенной под электрическим переходом, в общем случае зависит от напряжения на затворе. Это обусловлено тем, что размеры перехода увеличиваются с повышением приложенного к нему обратного напряжения, а увеличение области, обедненной носителями заряда, приводит к повышению электрического сопротивления канала (и, соответственно, к уменьшению тока, протекающего в канале).

Таким образом, работа полевого транзистора с управляющим p-n-переходом основана на изменении сопротивления канала за счет изменения размеров области, обедненной основными носителями заряда, которое происходит под действием приложенного к затвору обратного напряжения.

Напряжение между затвором и истоком, при котором канал полностью перекрывается и ток стока достигает минимального значения (I_C  0), называют напряжением отсечки (U_отс) полевого транзистора.

В отличие от ПТУП, у которых затвор имеет электрический контакт с каналом, в полевых транзисторах с изолированным затвором (ПТИЗ) затвор представляет собой тонкую пленку металла, изолированного от полупроводника. В зависимости от вида изоляции различают МДП- и МОП-транзисторы (соответственно, металл – диэлектрик – полупроводник и металл – оксид – полупроводник, например двуокись кремния SiO₂).

Канал ПТИЗ может быть обеднен носителями зарядов или обогащен ими. В зависимости от этого различают два типа полевых транзисторов с изолированным затвором: МДП-транзисторы со встроенным каналом (рисунок 4, а) (канал создается при изготовлении) и МДП-транзисторы с индуцированным каналом (рисунок 4, б) (канал возникает под действием напряжения, приложенного к управляющим электродам). В ПТИЗ имеется дополнительный вывод от кристалла, на котором выполнен прибор (рисунок 4), называемого подложкой.

а б

Рисунок 4

В ПТИЗ электроды стока и истока располагаются по обе стороны от затвора и имеют непосредственный контакт с полупроводниковым каналом.

Канал называется встроенным, если он изначально обогащен носителями заряда. В этом случае управляющее электрическое поле будет приводить к обеднению канала носителями зарядов. Если канал изначально обеднен носителями электрических зарядов, то он называется индуцированным. При этом управляющее электрическое поле (между затвором и истоком) будет обогащать канал носителями электрических зарядов (то есть, повышать его проводимость).

Проводимость канала может быть электронной или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то он называется п-каналом. Каналы с дырочной проводимостью называются р-каналами. В результате этого различают четыре типа полевых транзисторов с изолированным затвором: с каналом п- либо р-типов, каждый из которых может иметь индуцированный или встроенный канал. Условные графические обозначения названных типов полевых транзисторов представлены на рисунке 5.

Рисунок 5

Управляющее напряжение в ПТИЗ можно подавать как между затвором и подложкой, так и независимо на подложку и затвор. Рассмотрим в качестве примера принцип управления током в полевых транзисторах, структуры которых показаны на рисунке 4. Если на затвор подать положительное напряжение, то под влиянием образующегося электрического поля у поверхности полупроводника (рисунок 4, б) появляется канал п-типа за счет отталкивания дырок от поверхности в глубь полупроводника. В транзисторе со встроенным каналом (рисунок 4, а) происходит расширение или сужение уже имеющегося канала. Изменение управляющего напряжения меняет ширину канала и, соответственно, сопротивление и ток транзистора.

Существенным преимуществом ПТИЗ перед ПТУП является высокое входное сопротивление, достигающее значений 10¹⁰ – 10¹⁴ Ом (у транзисторов с управляющим р-п-переходом – 10⁷ – 10⁹ Ом).

Важным преимуществом полевых транзисторов перед биполярными является малое падение напряжения на них при коммутации слабых сигналов. Кроме этого следует выделить такие достоинства, как:

• высокое входное сопротивление;

• малые шумы;

• простота изготовления;

• отсутствие в открытом состоянии остаточного напряжения между истоком и стоком открытого транзистора.