Тема 5. Польові транзистори

Польовий транзистор — напівпровідниковий прилад, підсилювальні властивості якого, обумовлені потоком основних носіїв, що протікає через провідний канал, і керованим електричним полем.

Польовий транзистор на відміну від біполярного іноді називають уніполярним, оскільки його робота заснована на використанні тільки основних носіїв заряду — або електронів, або дірок. Тому в польових транзисторах відсутні процеси зміни (накопичення і розсмоктування) об'ємного заряду неосновних носіїв, що роблять помітний вплив на швидкодію біполярних транзисторів. Основним способом руху носіїв заряду, що створюють струм польового транзистора, є їх дрейф в електричному полі. Провідний простір, в якому створюється робочий струм польового транзистора, називають каналом..

Польовий транзистор — напівпровідниковий підсилювальний прилад, яким управляє не струм (як біполярним транзистором), а напруга (електричне поле, звідси і назва — польовий), що здійснює зміну площі поперечного перетину провідного каналу, в результаті змінюється вихідний струм транзистора. Управління ж електричним полем припускає відсутність статичного вхідного струму, що дозволяє зменшити потужність, потрібну для управління транзистором.

Умовні позначення польових транзисторів наведені на рис.1.

Металевий електрод, що створює ефект поля, називають затвором (3), два інші електроди: витоком (И) і стоком (С). Витік і стік у принципі обрати мі. Витоком служить той з них, з якого при відповідній полярності напруги між витоком і стоком в канал поступають основні носії заряду, а стоком — той, через який ці носії йдуть з каналу. Залежно від того, який з висновків є загальним для входу і виходу, розрізняють три схеми включення польового транзистора: із спільним витоком (ОИ), із спільним затвором (ОЗ) і спільним стоком (ОС). Найбільше розповсюдження на практиці знайшла схема з ОИ.

Принцип роботи польового транзистора. У польовому транзисторі з об'ємним каналом площа поперечного перетину каналу міняється за рахунок зміни площі збідненого об’єму назад включеного р-n-переходу. На. При її аналізі всі напруги розглядатимемо з урахуванням їх знаків.

Для польових транзисторів вхідна характеристика (залежність Iз від и_3и при фіксованому значенні Uси) не має практичного застосування і при розрахунках використовують тільки передавальні і вихідні ВАХ. На рис. 5.1. приведені вихідні і передавальні характеристики польового транзистора з р-n переходом, що управляє, для схеми включення з ОИ. Ці характеристики, подібно до характеристик біполярного транзистора, мають нелінійний характер, а, отже, польовий транзистор, як і біполярний, є керованим нелінійним елементом ланцюга. Проте при порівнянні їх вихідних характеристик очевидні істотні відмінності.

Рис. 5.1.. Статичні вольт-амперні характеристики польових транзисторів з р-n-переходом, що управляє (схема ОИ):

а — вихідні; б — передавальні

На початковій ділянці зміни вихідної напруги польового транзистора крутизна його ВАХ із зміною вхідного сигналу не залишається постійною, як у разі біполярного транзистора. Як видно з рис. 5.1,а із зменшенням Uзи крутизна ВАХ зменшується, а отже, зростає вихідний опір транзистора. Це указує на залежність вихідного опору польового транзистора від напруги, що управляє, на цій ділянці ВАХ.

Зміна вихідного струму витоку Iс польового транзистора при зміні Uси відбувається до певного значення вихідної напруги, рівного напрузі насичення Uси_нас (проекція на вісь абсцис точки перетину штрихової кривої ОА з відповідною ВАХ транзистора). Ця напруга рівне Uси_нас = Uзи — Uзи_отс, де Uзи_отс — напруга, що управляє, при якому Iс = 0 (режим відсічення), а Uзи —напруга що управляє, відповідна такою, що розглядається ВАХ транзистора.

При подальшому зростанні вихідної напруги струм Iс залишається незмінним аж до пробивної напруги Uси _проб.

Фізику процесів, що відбуваються при цьому, в польовому транзисторі можна пояснити таким чином.

Як вже наголошувалося, при вхідній напрузі Uзи =Uзи_отс відповідному зворотній напрузі на p-n-переході (затвор — витік), при якому струмопровідний канал транзистора буде повністю перекритий, вихідний струм Iс транзистора буде рівний нулю (див. рис. 5.1,6).

З порівняння приведених на рис. 5.1 ВАХ видно, що полярності керуючого і вихідного напруг польового транзистора з p-n-переходом, що управляє, не співпадають.

МДП транзистори.

Реальна структура МДП-транзистора з каналом n-типу має наступний вигляд. Металевий затвор ізольований від напівпровідникової підкладки об’ємом діелектрика (звідси еквівалентна назва МДП-транзистора — польовий транзистор з ізольованим затвором). Хай напруга на затворі відсутня. Якщо між стоком н витоком підвести напругу вказаної полярності, то при нульовому потенціалі на затворі на шляху від витоку до стоку опиняться, два стрічно включені р-n-переходи. Тому струмопровідний перетин каналу володітиме великим опором, а вихідний струм стоку виявиться нікчемно малий (приблизно рівний зворотному струму р-п- переходів). Якщо подати на затвор негативну напругу, то поверхневий прошарок підкладки р-типу, прилеглий до металізованої пластини затвора, збагатиться дірками і значення струму практично не зміниться. Якщо ж прикласти до затвора невелику позитивну напругу U зи і поступово її підвищувати, то дірки під дією поля, створюваного позитивною напругою затвора, йтимуть з поверхневого прошарку углиб підкладки, а електрони — притягуватися, утворюючи збагачений електронами поверхневий прошарок підкладки, що примикає до пластини затвора.

Кількість цих електронів значно менша, ніж в областях підкладки п+-типа, що примикають до витоку і стоку. Проте цієї кількості електронів по відношенню до основних носіїв заряду для р-області стає достатнім (у міру зростання позитивної напруги на затворі) для утворення прошарку протилежної провідності по відношенню до підкладки р-типу — інверсного прошарку (прошарок n-типу). Цей інверсний прошарок і є струмопровідним каналом n-типу, що замикає дві інші n⁺-области підкладки, що примикають до витоку і стоку. Такий канал називається індукованим, тобто наведеним полем затвора. Таким чином, індуковані канали відсутні в рівноважному стані і утворюються під дією зовнішньої напруги певної полярності і певного значення. Напруга на затворі, при якому виникає токопровідний канал, називається пороговою. Якщо вибрати підкладку n-типу, а області витоку і стоку зробити р-типа, то вийде МДП-транзистор з індукованим каналом.

Передавальні і вихідні ВАХ для МДП-транзистора при включенні з ОИ приведені на рис. 5.2.

Рис.5.2.

При цьому вихідні характеристики приведені тільки для індукованого каналу n-типу. Вихідні характеристики МДП-транзисторів з індукованим каналом р-типу будуть розташовані в III квадранті, симетрично приведеним на рис. 5.2,6. З перехідних характеристик на рис. 5.2,6, видно, що, по-перше, полярності вхідної і вихідної напруг завжди співпадають і, по-друге, збільшення Uзи веде до збільшення Iс.

¹ Якщо концентрації основних носіїв заряду в- контактуємих напівпровідникових областях різко відрізняються (на два порядки і більш), то область з більшою концентрацією наголошується символом <+ >.

У МДП-транзисторах з вбудованим каналом у поверхні напівпровідника під затвором (при нульовій напрузі на затворі щодо витоку) існує інверсний шар — провідний (вбудований) канал. Цей канал практично реалізують у вигляді тонкого приповерхностного шару за допомогою іонного легування. МДП-транзистори з вбудованим каналом можуть працювати при обох полярностях напруги на затворі. Передавальні і вихідні ВАХ даного транзистора, включеного по схемі з ОИ, показані на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Передавальні (а) і вихідні (б) ВАХ МДП-транзистора з вбудованим n-каналом

З аналізу цих характеристик видно, що за відсутності напруги, що управляє, коли Uзи =0, значення вихідного струму транзистора Iс відмінно від нуля і рівно деякому значенню, яке називають початковим струмом стоку..

При значеннях вихідного струму Iс < Iснач полярності вхідної і вихідної напруг протилежні, а при Iс > Iс_нач їх полярності співпадають. При будь-якому значенні напруги, що управляє, більшому його значення, відповідного режиму відсічення.

Основними параметрами, що характеризують польовий транзистор як нелінійний елемент, є:

коефіцієнт посилення по напрузі

при

крутизна (визначається по передавальній характеристиці)

при

диференціальний вихідний (внутрішнє Ri) опір

при

диференціальний опір ділянки затвор — стік

Цей опір враховує зворотний зв'язок між виходом і входом польового транзистора.

Вхідний опір польового транзистора дуже великий (декілька мегаОм), оскільки значення струму затвора Iз дуже мало.

Значення параметра Ri визначають при роботі транзистора в режимі насичення як котангенс кута нахилу вихідної характеристики. Оскільки для польових транзисторів режиму насичення відповідає полога частина вихідної характеристики, то в робочій області цей кут малий і, отже, внутрішній опір виявляється достатньо великим (сотні килоОм).

Крутизна s передавальної характеристики відображає ступінь впливу вхідної напруги на вихідний струм, тобто ефективність дії затвора, що управляє, і складає 1... 5 мА/В. Перші три параметри зв'язані співвідношенням .

Температурна залежність характеристик польових транзисторів. Раніше було відмічено, що підсилювальні властивості польових транзисторів (ПТ) пов'язані з процесом переміщення основних для напівпровідника носіїв заряду, тобто струм ПТ визначається концентрацією основних носіїв. Проте відомо, що концентрація основних носіїв в напівпровіднику майже не залежить від температури. Тому і властивості ПТ слабо змінюються із зміною температури.

Основними параметрами ПТ, залежними від температури, є: напруга відсічення і порогова напруга.

На рис. 5.4. приведені перехідні характеристики ПТ з р-n переходом, що управляє, і ізольованим затвором. З приведених характеристик виходить, що для будь-якого типу ПТ існує таке значення струму стоку, при якому його величина не залежить від температури.

Це пояснюється дією в цьому приладі двох протилежних механізмів. Так, для польового транзистора з p-n-переходом, що управляє, при підвищенні температури навколишнього середовища росте власний опір напівпровідникового матеріалу, що приводить як до безпосереднього зменшення струму стоку, так і до додаткового підзамикання р-n-переходу із-за наявності складової падіння напруги на каналі.

Вказані причини при збільшенні температури ведуть до зменшення струму стоку. Цей ефект особливо сильно виявляється при великих струмах стоку. Проте збільшення температури веде до зменшення товщини р-n-переходу, що розширює канал. Останнє викликає збільшення струму стоку, що особливо помітно при малих його значеннях. Тому при деяких значеннях струму стоку обидва чинники; компенсують один одного і величина струму стоку не залежить від зміни температури.

Рис. 5.4. Залежність передавальних характеристик польового транзистора від температури

Для МДП-транзистора із збільшенням температури також характерний зменшення струму стоку, що пояснюється зростанням власного опору напівпровідника. В той же час збільшення температури веде до збільшення числа пар електрон-дірка в каналі, т. е. до збільшення концентрації, носіїв заряду. Природно, це викликає зростання струму стоку, особливо при невеликих його власних значеннях. Отже, і в МДП-транзисторі існують дві протилежні тенденції, ступінь, прояви яких залежить від абсолютної величини струму стоку. Слідством цього є наявність на передавальній характеристиці приладу крапки, для якої струм стоку не залежить від зміни температури навколишнього середовища.