Полевые транзисторы с изолированным затвором

Полевые транзисторы с изолированным затвором - приборы с диэлектрическим слоем между металлическим затвором и полупроводником. Поэтому и название МДП (металл-диэлектрик-полупроводник). В весьма распространенном случае, когда в качестве диэлектрика используются двуокись кремния, их называют МОП (металл-оксид-полупроводник) – транзисторами.

Транзисторы с изолированным затвором подразделяются: МДП-транзисторы со встроенным каналом (с проводящим каналом) и МДП-транзисторы с индуцированным каналом.

Их структуры изображены на рисунке.

Наличие диэлектрика снимает ограничения на полярность смещения U_з (у полевых транзисторов с управляющим p-n переходом U_з - однополупериодное): она может быть как положительной, так и отрицательной, причём, ток затвора отсутствует.

Семейство выходных (стоковых) ВАХ МДП-транзистора со встроенным p-каналом выглядит следующим образом (аналогично выходным характеристикам полевого транзистора с управляющим p-n переходом).

В настоящее время тран-зисторы с индуциро-ванным каналом вследствие простоты их изготов-ления полу-чают наиболь-шее распространение. Рассмотрим эти транзисторы (см. рис. 2).

При нулевом напряжении между затвором и истоком такой транзистор представляет собой два встречно включённых p-n перехода, так как отсутствует поверхностный слой, тип электропроводности совпадает с типом электропроводности истока и стока. При этом ток стока очень мал.

С ростом отрицательного напряжения между затвором и истоком увеличивается заряд примесных ионов, так как основные носители заряда отталкиваются от поверхности. Но одновременно увеличивается и заряд не основных носителей, притягиваемых к поверхности. В конце концов нарастающий заряд не основных носителей превысит заряд оставшихся основных носителей, то есть изменится тип проводимости поверхностного слоя полупроводника. Этот случай характеризуют термины “инверсия типа проводимости”, а образовавшийся вблизи поверхности слой полупроводника с обратным типом проводимости называют инверсионным слоем. Именно этот слой играет роль индуцированного канала. Напряжение, при превышении которого образуется инверсионный канал, называется пороговым напряжением U_о.

При образовании инверсионного слоя исток и сток окажутся соединенными тонким проводящим слоем и между ними потечёт ток. Семейство выходных ВАХ МДП-транзистора с индуцированным каналом приведены на рисунке.

К стоку приложен минус источника напряжения U_c, а к истоку плюс, отсюда следует, что входное сопротивление полевого транзистора с изолированным затвором имеет большую величину, определяемую сопротив-лением изоляции. Обычно оно составляет 10¹⁴ Ом, при использовании специальных мер доходит до 10¹⁷ Ом и выше.

В МДП-транзисторе со встроенным каналом между истоком и стоком создан тонкий поверхностный канал, тип электропроводности которого совпадает с типом электропроводности истока и стока. При подключении источника напряжения между истоком и стоком (плюс к истоку, минус к стоку) через транзистор будут протекать ток даже при нулевом смещении на затворе. МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в режимах обогащения и обеднения.

При подаче на затвор относительно истока отрицательного напряжения основные носители (дырки) притягиваются к поверхности и образуют тонкий канал с тем же типом проводимости (p), но с гораздо меньшим удельным сопротивлением (режим обогащения). Это способствует росту тока стока.

При подаче на затвор относительно истока положительного напряжения основные носители заряда (дырки) отталкиваются от поверхности. В этом случае вместо тонкого канала с повышенной проводимостью образуется сравнительно толстый слой с пониженной проводимостью и, следовательно, ток стока уменьшается. Такой режим работы называется режимом обеднения.

Режим работы транзистора определяется полярностью напряжения на затворе относительно истока и типом электропроводности канала. Напряжение на затворе U_o, при котором прекращается ток стока, называется пороговым напряжением. Напряжение между стоком и истоком, начиная с которого прекращается рост тока стока называется напряжением насыщения U_сн.

Как видно из описания принцип работы МДП-транзистора со встроенным каналом аналогичен принципу, использованному в полевом транзисторе с управляющим p-n переходом.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения и только при одной полярности напряжения на затворе, знак которой определяется типом электропроводности канала (напряжение на стоке и затворе относительно истока имеют одинаковые знаки).

Графическое обозначение МДП-транзистора с изолированным затвором.

В настоящее время конструкция большинства полевых транзисторов является симметричной с взаимозаменяемыми истоком и стоком (отличие от ламп).

В полевых транзисторах подложка (основной полупроводник) либо соединена с истоком (в дискретных полевых транзисторах), либо имеет какой-то потенциал относительно истока (в интегральных схемах).

При обратном смещении на подложке существенно уменьшается сопротивление насыщения стока, что сопровождается соответствующим спадом коэффициента усиления по напряжению.

S U_з – отражает усилительные свойства транзистора;

R_i – внутреннее сопротив-ление транзистора: ; С_сн – величина, определяемая геометрией и материалом транзистора (обычно доли пикофарад).

Величины С_зн и С_зс не превосходят 1÷3 пФ.

Рабочие частоты полевых транзисторов с изолированным затвором составляют 300÷50 МГц и выше (у транзисторов с управляемым p-n переходом частота ниже).

У полевых транзисторов параметры могут изменяться с изменением температуры. Однако эти изменения меньше, чем у биполярных транзисторов. Так на арсениде галлия получали усиления вплоть до 350°С. При температуре до 250°С усиление по мощности падало, не более чем, вдвое.

Интегральной особенностью МДП-транзисторов является наличие критического значения тока стока, при котором этот ток почти не зависит от температуры.

Полевые транзисторы имеют преимущество перед биполярными при использовании в интегральных схемах (ИС). Объединение биполярных транзисторов в ИС затрудненно, главным образом, по той причине, что в этих приборах ток протекает перпендикулярно к поверхности, тогда как предпочтительная конструкция ИС заключается в расположении компонент в плоскости поверхности. Этому условию удовлетворяет полевой транзистор. Кроме этого, достоинства полевого транзистора заключается ещё и том, что он по существу представляет сопротивление и в таком качестве может использоваться в схемах.