Полевые транзисторы.

Полевой транзистор – полупроводниковый прибор, в котором выходной ток управляется входным напряжением. Входное напряжение создает электрическое поле, влияющее на выходной ток, поэтому транзистор называется полевым.

В полевых транзисторах ток создается основным видом носителей, а неосновные носители не играют существенной роли. Поэтому полевые транзисторы называют униполярными, в отличие от обычных, биполярных транзисторов. Процессы инжекции и диффузии отсутствуют, основным видом движения является дрейф в электрическом поле.

Управление током осуществляется с помощью электрического поля, поперечного к направлению дрейфа носителей. Управляющий электрод, создающий это поле, называется затвором.

Проводящий слой, по которому проходит рабочий ток, называется каналом. Существуют p-канальные и n-канальные транзисторы. Область, откуда носители поступают в канал, называется истоком, область, куда они выходят из канала, - стоком. Исток и сток в принципе обратимы.

К аналы могут быть приповерхностными – МДП-транзисторы (транзисторы с изолированным затвором), и объемными –ПТ с управляющим p-n-переходом и с баръером Шоттки.

Условные обозначения транзисторов приведено на рис.22

Входное сопротивление полевых транзисторов для постоянного тока и низкой частоты переменного тока может быть очень большим: 10⁸-10¹⁵ Ом.

Полевой транзистор с управляющим р-n переходом

Устройство полевого транзистора с управляющим р-n-переходом с n-каналом показано на рис.23а. Канал сформирован в слаболегированном эпитаксиальном слое n-типа, выращенном на подложке p⁺-типа (верхним индексом + обозначаются сильнолегированные области), в котором далее созданы область затвора p⁺-типа, ограничивающая канал сверху, и области истока и стока n⁺-типа, p-n-переход канал-подложка служит для изоляции канала от подложки и установки начальной толщины канала. Подложка обычно соединяется с истоком, но может иметь также отдельный вывод и служить вторым управляющим электродом.

Устройство ПТ с p-каналом аналогично, лишь тип проводимости областей меняется на противоположный, соответственно, меняется и полярность напряжений, прилагаемых к электродам.

Принцип действия ПТ основан на изменении сечения проводящего канала и, следовательно, его проводимости при подаче на затвор обратного смещения. При этом р-n-переход затвор–канал расширяется в сторону канала и уменьшается высота канала. Изменение проводимости канала приводит к изменению тока стока I_С, протекающего по каналу под действием напряжения U_CИ, приложенного между истоком и стоком.

Транзисторы с металло-полупроводниковым затвором (затвором Шоттки) имеют такой же принцип действия, как и транзисторы с р-п-затвором, отличие состоит лишь в том, что обедненный слой располагается непосредственно у поверхности полупроводника.

Теория транзистора с р-п- затвором

Пусть подложка и исток соединены друг с другом и U_CИ = 0, на затвор подано напряжение -U_ЗИ (рис.23б). Тогда толщина р-n перехода затвор–канал равна:

, (49)

а высота (толщина) канала

, (50)

где h – расстояние между металлургическими границами, N – концентрация легирующей примеси в канале, ₀ – диэлектрическая проницаемость, e – ‘элементарный заряд, _к – контактная разность потенциалов.

При некотором обратном напряжении U_ЗИ канал полностью перекрывается (у=0). Величину этого напряжения называют напряжением отсечки U_ОТС. Поскольку U_ОТС.>> _К

(51)

С учетом (51) выражение (50) можно записать в виде

(52)

При напряжения U_ЗИ=0 высота (толщина) канала максимальна и сопротивление канала R_К0 минимально :

, (53)

где  – удельное сопротивление, L – длина и W – ширина канала

При подаче на сток напряжения (U_CИ>0) в канале возникает ток I_С и вдоль канала появляется падение напряжения U(x), величина которого зависит от расстояния x до истока. При этом на р-n-переходе будет действовать уже сумма напряжении U_ЗИ+U(x), и толщина канала становится переменный (рис.23в). Подставив в формулу (52) вместо U_ЗИ суммарное напряжение можно найти высоту канала, зависящую от координаты х:

(54)

Толщина канала максимальна у истока, где U(0) = 0, и минимальна у стока, где U(L)= U_СИ. При некотором напряжении U_СИ, называемом напряжением насыщения U_НАС канал у стока полностью перекрывается (у=0 при x=L). Отсюда

U_НАС = U_ОТС –U_ЗИ – φ_к (55)

Слагаемым φ_к в формулах (52), (54) обычно пренебрегают.

Найдем вольтамперную характеристику ПТ при U_СИ U_НАС. Приращение напряжения dU на элементарной длине dx пропорционально протекающему току:

(56)

Подставляя сюда y в виде функции U из (54) и интегрируя, получаем

Подставляя граничные значения U(0)=0, U(L)=U_СИ, после несложных преобразований получаем

. (57)

Эта формула применима лишь при U_СИ  U_НАС, при U_СИ =U_НАС ток достигает максимального значения и далее практически не изменяется. Все избыточное напряжение U_СИ–U_НАС падает на перекрытом участке канала, который расширяется с увеличением U_СИ и длина канала несколько уменьшается (рис.23г). Подставляя U_СИ = U_НАС = U_ОТС–U_ЗИ в (57), получаем характеристику передачи ПТ при U_СИ>U_НАС

, (58)

где I_Cmax – максимальный ток при U_ЗИ=0.

(59)

Полевой транзистор с управляющим р-n-переходом был предложен В.Шокли в 1952 году. Им же было выведено уравнение (57).

Вольтамперные характеристики полевого транзистора с управляющим р-п-переходом.

Выходных характеристики полевого транзистора в схеме с общим истоком (ОИ) приведены на рис.24.

Выходных характеристики имеют начальный крутой участок в области от 0 до U_НАС , которые описываются формулой (57), и пологий при U_СИ>U_НАС, где. ток стока I_С остается практически постоянным, этот участок ВАХ называется участком насыщения. Незначительное увеличение тока стока I_С в режиме насыщения при повышении U_СИ объясняется некоторым увеличением длины перекрытого участка и соответствующим уменьшением длины канала и падения напряжения на канале. Поэтому выходная дифференциальная проводимость в режиме насыщения имеет конечное значение.

П ри дальнейшем увеличение U_СИ наступает пробой р-n-перехода и I_С лавинообразно возрастает. Пробой возникает на перекрытом участке канала в области стока, где напряженность поля максимальна.

Передаточные характеристики I_С= при U_СИ=const для пологого участка выходных характеристик (U_СИ>U_НАС) приведены на рис25. Ток I_С имеет максимальное значение при U_ЗИ =0. При U_ЗИ=U_ОТС канал перекрывается по всей длине, ток выходной цепи становится минимальным и определяется лишь током неосновных носителей заряда. Этот ток является неуправляемым и может составлять единицы наноампер.

Передаточная характеристика теоретически описывается формулой (58), на практике пользуются более удобной аппроксимацией:

, (60)

которую обычно записывают в виде

, , (60а)

где b – удельная крутизна.

Входные характеристики представляют собой обратную ветвь вольтамперной характеристики p-n-перехода затвора. Ток затвора составляет единицы – десятки нА, входное сопротивление – 10⁸10⁹ Ом.