Раздел 2. Принцип действия полевого транзистора.

Принцип действия приборов на основе полевого эффекта был обоснован еще в 30-е годы Лилиенфельдом и Хейлом, тем не менее первый работающий полевой транзистор был создан в 1960 г. Кангом и Атталой. Это говорит о том, что мало знать что надо сделать, но и очень важно знать - как. Принято различать два типа полевых транзисторов: с управляющим p-n переходом и МДП транзисторы. Начнем их изучение с полевого транзистора с управляющим p-n переходом, структура которого показана на рис.1.4. В полупроводниковой пластине p-типа сделаны выводы для 3-х электродов - истока, стока и затвора. Два из них, сток и исток помещены в карман n-типа, а один из них - затвор, помещен в карман р -типа, как это показано на рис.1.4. Слой полупроводника между истоком и стоком, в котором регулируется поток носителей заряда называют проводящим каналом (на рисунке показан пунктиром). Электрод, через который в проводящий канал втекают носители заряда называют истоком, а электрод, через который они вытекают - стоком. Электрод, на который подается напряжение, управляющее протекающим через канал током, и расположенный в р - кармане называют затвором.

И

З

С

P карман

P подложка

n карман

Рис.1.4. Схема полевого транзистора с управляющим p-nпереходом

канал

При приложении между истоком и стоком потенциала ток может протекать только в области канала, поскольку между n - карманом и p - подложкой располагается обратно-смещенный p-n переход.. На p - n переход затвора подается обратное напряжение. Глубина образующегося обедненного слоя меняется в соответствии с поданным напряжением - чем больше обратное напряжение, тем глубже обедненный слой, тем меньше толщина проводящего n - канала. Таким образом, изменяя обратное напряжение на затворе можно менять поперечное сечение проводящего канала, и, следовательно, его сопротивление. Напряжение, при котором обедненный слой перекрывает весь канал и прекращает протекание тока называется напряжением отсечки. Поскольку в работе прибора участвуют носители только одного знака, полевые транзисторы часто называют униполярными.

При отсутствии потенциала между истоком и стоком толщина образованного канала будет одинаковой и зависящей от напряжения на затворе согласно выражению:

где W-толщина образованного канала; U_З-модуль напряжения на затворе; N-концентрация примеси [см^-3]; e-заряд электрона; а - расстояние между границей раздела подложка - n-карман и n-карман - p-карман, -диэлектрическая проницаемость полупроводника.

Положив W=0 легко найти напряжение отсечки, при котором обедненный слой перекрывает весь канал и ток в канале прекращается:

При подаче потенциала между истоком и стоком через канал протекает ток и напряжение на p-n переходе будет меняться, возрастая вблизи стока, что приводит к несимметричному уменьшению ширины канала. При достижении напряжения отсечки образуется “горловина”, однако вместо отсечки тока происходит отсечка его приращения, т.е. насыщение тока. Семейство стоковых вольт-амперных характеристик (ВАХ) -зависимостей тока стока от напряжения исток-сток при различных Uз представлено на рис.1.5. Кривая 2 соответствует более высокому по модулю напряжению (к примеру -6 В) на затворе, чем кривая 1 (например -1 В).

I_с,мА

2

6

10

U_с

_B

4 8 12 16

1

2

Рис.1.5. Статические ВАХ полево-

го транзистора с p-n переходом

Ток стока при этом уменьшается. Следует отметить, что ток течет и при нулевом потенциале на затворе, а сам потенциал может иметь только одну полярность - в данном случае отрицательную. В ином случае p-n переход будет включен в прямом направлении, начнется инжекция неосновных носителей и транзистор перестанет быть униполярным прибором. Зависимость, определяющая ток стока на пологом участке хорошо аппроксимируется выражением:

где коэффициент b называется крутизной и имеет вид:

где  - подвижность носителей [см²/В с], Z и L - ширина канала и длина канала соответственно, причем подвижность определяется для объема полупроводника, т.к. канал на граничит с поверхностью.

Теперь рассмотрим второй тип полевого транзистора.