ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ТРАНЗИСТОРЫ С p–n–ЗАТВОРОМ

Устройство и принцип действия транзистора с p–n–затвором

Общие сведения. Полевыми транзисторами называют полупроводниковые приборы, у которых для управления током используется зависимость электрического сопротивления токопроводящего слоя от напряженности поперечного электрического поля.

Слой полупроводника, в котором регулируется поток носителей заряда, называется каналом. Электрическое поле, воздействующее на сопротивление канала, создается с помощью расположенного над каналом металлического электрода, называемого затвором.

Затвор должен быть электрически изолирован от канала. В зависимости от способа изоляции различают:

транзисторы с управляющим р-п-переходом или с р-п-затвором (изоляция затвора от канала осуществляется обедненным слоем р-п-перехода);

транзисторы с металлополупроводниковым затвором или затвором Шоттки (изоляция затвора от канала осуществляется обедненным слоем м-n- или м-р-перехода);

транзисторы, у которых затвор изолирован от канала диэлектри­ком, – транзисторы с изолированным затвором (рассматриваются в следующем параграфе).

Устройство. Устройство транзистора с р-n-затвором показано на рис. 7.1,а. На подложке из р-кремния создается тонкий слой полупроводника n-типа, выполняющий функции канала, т. е. токопроводящей области, сопротивление которой регулируется электрическим полем.

Канал изолирован р-n-переходами как от подложки, так и от находящегося над ним затвора – электрода, под которым создается электрическое поле, воздействующее на сопротивление канала. На концах канала находятся исток и сток – сильно легированные n⁺ - области, с помощью которых канал включается в цепь управляемого тока.

Длину канала l (рис. 7.1,б) делают очень малой (единицы микрометров), ширину канала  – по возможности большой (обычно в сотни и даже тысячи раз больше длины).

Рассмотренный полевой транзистор имеет канал с электропроводностью n-типа, или, как говорят, n-канал. Существуют также транзисторы с р-каналом, они имеют такие же устройство и принцип действия, отличаются лишь полярностью напряжений питания.

Принцип действия. Прикладывая к затвору обратное напряжение U_зи можно изменять ширину верхнего р-n-перехода. При этом р-n-переход, проникая на большую или меньшую глубину в канал, изменяет толщину канала 2y, а следовательно, и его электрическую проводимость. В результате будет изменяться величина тока I_с, протекающего по каналу и в выходной цепи транзистора, под воздействием приложенного к стоку напряжения U_си. На этом принципе и основано действие транзистора с р-n-затвором.

Нижний р-n-переход (канал – подложка) служит для изоляции канала от подложки и установки начальной толщины канала. Подложка может служить втоpым управляющим электродом либо подключаться к затвору.

Полевые транзисторы с металлополупроводниковым затвором (затвором Шоттки) имеют принцип действия практически такой же, как транзисторы с р-n-затвором; присущие им особенности будут отмечены в соответствующих местах.

Элементарная теория транзистора с p–n–затвором

Влияние напряжения затвора на сопротивление канала. При напряжении стока, равном нулю, толщина канала 2у постоянна по всей его длине, но зависит от напряжений затвора U_зи и подложки U_пи.

Рассмотрим случай, когда подложка и затвор соединены друг с другом, т. е. U_пи = U_зи . Тогда толщина канала 2у (рис. 7.2, а) с учетом выражения (2.41)

2у=h-2 (7.1)

где h – расстояние между металлургическими границами n-слоя; N_д – концентрация доноров в канале.

Чем больше обратное напряжение затвора U_зи, тем шире р-n-переход и тоньше канал (рис. 7.2,а). При некотором напряжении U_зи = U_отс канал полностью перекрывается.

Величину U_отс называют напряжением отсечки канала. Найдем ее из выражения (7.1), положив 2y = 0:

(7.2)

Величина _к << Uотс и ею пренебрегают.

Пример 7.1. Пусть толщина n-слоя h = 5 мкм, концентрация доноров в нем N_д=10¹⁵см^–3. Тогда напряжение отсечки

U_отс= .

Подставив выражение (7.2) в (7.1), можно определить толщину канала:

2у=h(1- ) (7.3)

Начальная толщина канала (при U_зи = 0) 2у₀=h(1- ).

При этом сопротивление канала минимально:

(7.4)

где ρ – удельное сопротивление канала.

Пример 7.2. Пусть длина канала 1=5 мкм, ширина  = 1 мм, толщина n-слоя h = 5 мкм и его удельное сопротивление ρ = 10 Ом*см. Тогда

R_ко = Ом

При подаче напряжения на затвор толщина канала 2y уменьшается и сопротивление канала возрастает:

(7.5)

При U_зи > U_отс сопротивление канала R_к  и транзистор закрывается.

Влияние напряжения стока на процессы в канале. При подаче на сток положительного напряжения U_cи в канале возникает ток I_с и вдоль канала появляется падение напряжения U_х, величина которого зависит от координаты х, т. е. от расстояния до истока. При этом на переходе появляется зависящее от координаты х напряжение U_зи+U_x и толщина канала 2у_х становится переменной (рис. 7.2,б).

Подставив в выражение (7.3) вместо U_зи напряжение U_зи+U_x, действующее в данном случае на переходы, найдем толщину канала:

2у_x=h(1- ) (7.6)

она максимальна у истока, где U_x = 0, и минимальна у стока, где U_x = U_си:

2у_с=h(1- ) (7.7)

При некотором значении напряжения стока U_си = U_нас, называе­мом напряжением насыщения, канал у стока полностью перекрывается (рис. 7.2,в). Напряжение насыщения определим, положив 2у_с= 0:

U_нас=U_отсU_зи_к. (7.8)

Заметим, что при этом сопротивление канала R_кн; оно больше R_ко, но имеет конечное значение и через канал под действием напряже­ния U_си = U_нас проходит максимальный ток стока

I_Cmax = U_нас/R_ки.

При дальнейшем повышении напряжения стока участок перекры­тия канала δ расширяется и весь избыток напряжения U_си-U_нас падает на этом участке (рис. 7.2,г,д), а на проводящем участке канала напряжение остается постоянным, равным U_нас.

На перекрытом участке ток проходит за счет экстракции носителей заряда из канала в обедненную область, где под действием ускоряю­щего поля экстрагируемые носители устремляют­ся на сток. Таким образом, сопротивление перекрытого участка канала

есть сопротивление диода в режиме насыщения: оно определяется ве­личиной экстрагируемого тока.

Теоретическая вольт-амперная характеристика. Расчет этой ха­рактеристики проведем для открытого канала (в режиме насыщения вычисления представляют большую сложность). Канал будем считать равномерно легированным.

На элементарном участке канала dх падение напряжения

dU_x=I_cdR_x=I_c

Использовав соотношение (7.6), пренебрегая _к, получим

Интегрируя от U_x = 0 до U_x = U_си  U_нас, от х = 0 до х = l, полу­чим

(7.9)

Учитывая, что , найдем ток в режиме насыщения, т.е. при U_си = U_нас = U_отсU_зи:

(7.10)

Максимальное значение ток стока имеет при U_зи = 0:

(7.11)

Отсюда следует, что в режиме насыщения (при U_си = U_нас ) сопротивление канала в три раза выше, чем R_ко.

С учетом (7.11) получим окончательное выражение для тока стока:

(7.12)

Это основное уравнение полевого транзистора с р-n-затвором; оно было выведено в 1952 г. В. Шокли, предложившим данный прибор.

Вольт-амперные характеристики транзистора с р-п-затвором

Выходные характеристики. Выходные характеристики полевого транзистора в схеме с общим истоком (ОИ) определяют зависимость тока стока I_с от напряжения стока U_си при заданных величинах напряжения затвора

U_зи: I_с =f(U_си) при U_зи =const.

Пусть напряжение затвора равно нулю. Канал имеет постоянную начальную толщину 2у_o и электрическое сопротивление R_кo. При подаче на сток положительного напряжения вдоль канала появляется падение напряжения U_x, под его действием р-n-переходы расширяются, при этом, как указывалось, чем ближе к стоку, тем уже становится ка­нал (рис. 7.2,б).

При повышении положительного напряжения стока U_cи выход­ной ток I_с возрастает, но при этом одновременно уменьшается толщина канала по всей его длине и увеличивается сопротивление канала. По­этому зависимость тока от напряжения оказывается нелинейной: ток нарастает медленнее, чем это следует из закона Ома (начальный участок на рис. 7.3). Когда напряжение стока достигает величины на­пряжения насыщения, канал в области стока перекрывается и дальнейший рост тока стока прекращается. Это соответствует горизонтальному участку выходной характеристики полевого транзистора, называемому участком насыщения.

При дальнейшем повышении напряжения стока сверх значения U_нас участок перекрытого канала расширяется в сторону стока и на нем падает избыток напряжения U_си- U_нас. На неперекрытом участке канала напряжение остается равным U_нас, поэтому поддержи­вается постоянным ток в канале, а следовательно, и ток стока I_с = I_{с max} (рис. 7.3). Через перекрытый участок канала шириной δ носители заряда, экстрагируемые из канала, переносятся ускоряющим полем на сток. Незначительное увеличение тока стока I_с в режиме насыщения при повышении напряжения U_си объясняется

некоторым уменьшением эффективной длины неперекрытой части канала при расширении перекрытого участка. В результате и в режиме насыщения выходная дифференциальная проводимость транзистора сток — исток имеет конечное значение.

При чрезмерно большом увеличении напряжения стока U_си наступает пробой р-n-перехода и ток в цепи сток – затвор лавинообразно нарастает. Пробой возникает в области стока, где разность потенциалов на переходе максимальна.

Если на затвор подано обратное напряжение U_зи (отрицательное для транзистора с n-каналом), то перекрытие канала в соответствии с выражением (7.8) наступает при меньшем напряжении стока, при этом оказывается меньшим и максимальный ток стока, выходная характеристика располагается ниже, чем при U_зи = 0. При еще большем обратном напряжении затвора выходная характеристика идет еще ниже и т. д. (рис. 7.3). Пробивное напряжение стока при этом тоже уменьшается на величину U_зи.

Передаточные характеристики. В схеме ОИ передаточные характеристики определяют зависимость I_с = f(U_зи) при U_си= соnst (рис. 7.4). Ток имеет максимальную величину при напряжении затвора, равном нулю, когда толщина канала максимальна. При подаче обратного напряжения на затвор р-n-переход расширяется, толщина канала уменьшается, его сопротивление возрастает и ток становится меньше. Когда напряжение затвора достигает величины напряжения отсечки, канал полностью перекрывается и ток в выходной цепи падает до минимального значения, определяемого концентрацией неосновных носителей заряда. Эта составляющая выходного тока является неуправляемой, ее величина при нормальной температуре составляет единицы наноампер, а при повышенной температуре — единицы микроампер.

Передаточную характеристику полевого транзистора в режиме насыщения удобно аппроксимировать зависимостью

I_с =I_cmах(1–U_зи/U_oтс)². (7.13)

Опыт показывает, что это уравнение хорошо отображает реальные характеристики независимо от закона распределения примесей в канале *.

* В зависимости от закона распределения примесей в канале показатель степени изменяется в пределах от 2 до 2,25,

Параметры этой зависимости определяют следующим образом. Начальный ток I_сmах измеряют при U_зи = 0, а для нахождения U_отс измеряют напряжение U_зи при I_с =¹/4 I_сmax. Нетрудно убедиться из (7.8), что U_отс = 2 U_зи. Такой способ нахождения напряжения отсечки дает более точный результат, чем при непосредственном измерении в режиме запирания, где передаточная характеристика идет плавно.

Входные характеристики. Входные характеристики представляют собой зависимость тока затвора I₃ от напряжения затвора U_зи при U_си = соnst. Они определяются свойствами р-n-перехода затвора и в первом приближении описываются известным соотношением (2.57):

I_з = I_о(ехрхU_зи – 1). (7.14)

Однако в отличие от полупроводникового диода на ток экстракции I_о здесь влияет также ударная ионизация носителей заряда в перекрытой части канала. Этот процесс обусловливает зависимость тока затвора от тока и напряжения стока, особенно при низких температурах, когда термоток перехода мал.

Поскольку полевой транзистор работает при обратном напряжении затвора, ток в его входной цепи очень небольшой: I₃ = I_о. При прямом смещении транзисторы с р-n-затвором не используют, так как в этом режиме резко возрастает ток затвора, а эффективность управления снижается.

Влияние температуры на вольт-амперные характеристики. Температурная зависимость тока стока обусловлена влиянием температуры на подвижность носителей заряда в канале и на контактную разность потенциалов р-n-переходов затвора и подложки.

С ростом температуры подвижность носителей заряда в канале падает, что приводит к повышению сопротивления канала, т. е. к уменьшению тока стока. С другой стороны, контактная разность потенциалов с ростом температуры уменьшается [см. формулу (2.31)], что влечет за собой расширение канала в соответствии с выражением (7.1), т. е. увеличение тока стока.

Расчет дает следующее выражение для температурного коэффициента тока стока в режиме насыщения:

(7.15)

Первый член определяется влиянием температуры на контактную разность потенциалов, второй член — на подвижность. Величину т определяют из выражения, аппроксимирующего температурную зависимость подвижности в рабочем диапазоне частот:

T^m = const. (7.16)

Обычно можно принять, что m ≈2, а d_к/dТ ≈2 мВ/К.

Из формулы (7.15) вытекает, что существует такая величина тока стока, при которой температурный коэффициент равен нулю. На рис. 7.5 показана

т емпературная зависимость передаточных характе­ристик полевого транзистора. В точке пересечения характеристик ток стока не зависит от температуры. Это свойство полевого транзистора является полезным на практике. Величину тока стока I_Т в термостабильной точке можно определить путем приравнивания кулю выражения (7.15):

(7.17)

В целом температурные коэффициенты у полевого транзистора значительно лучше, чем у биполярного, и обычно не превышают 0,2% на 1 К, причем с ростом температуры ток стока (выше термостабильной точки) падает. Так, например, из рис. 7.5 получим, что при U_зи = 0 в области положительных значений температур в соответствии с выражением (7.15)

Температурная зависимость тока затвора подчиняется соотношениям, известным для р-n-перехода.

Дифференциальные параметры транзистора с p–n–затвором

Ток стока в полевом транзисторе с р-n-затворoм зависит от двух переменных — напряжения затвора и напряжения стока: I_с = f(U_зи, U_си)- Запишем выражение для полного дифференциала тока стока:

Частные производные в этом выражении определяют приращение токов при изменении напряжений электродов, поэтому их можно взять в качестве дифференциальных параметров транзистора. Их обозначают следующим образом: – крутизна (проводимоcть прямой передачи) транзистора; – выходная проводимость транзистора; иногда вместо выходной проводимости берут обратную ей величину R_i, называемую внутренним сопротивлением транзистора.

Использовав эти обозначения и заменив бесконечно малые приращения независимых переменных малыми гармоническими колебаниями с амплитудами и , найдем амплитуду гармонического колебания тока:

(7.18)

Рассмотрим дифференциальные параметры полевого транзистора.

Крутизна. Крутизна характеризует управляющее действие затвора; численно она равна величине изменения тока стока при изменении напряжения затвора на 1 В. Обычно крутизну выражают в миллиамперах на вольт (мА/В).

Из выражений (7.13) и (7.11) получим, что

(7.19)

т. е. крутизна обратно пропорциональна сопротивлению канала; чем оно меньше, тем выше крутизна. Но сопротивление канала

следовательно, для получения высокой крутизны необходимо иметь малое отношение длины канала l к его ширине w, т. е. короткий и широкий канал. Практически, как указывалось, длина канала l может составлять единицы микрометров, а его ширина — тысячи микрометров. Толщина канала ограничивается требуемой величиной напряжения отсечки. Из соотношения (7.2) следует, что

Тогда при U_зи=0

(7.20)

Из выражения (7.19) вытекает, что крутизна линейно зависит от напряжения затвора и имеет максимальное значение при U_зи = 0 Для практического определения крутизны можно воспользоваться выходными характеристиками. Например, для транзистора 2П303 (см. рис. 7.3) найдем, что

Выходная проводимость. Выходная проводимость характеризует влияние напряжения стока на ток стока; численно она раина величине изменения тока стока (в микроамперах) при изменении напряжения стока на 1 В. Так же как и крутизну, выходную проводимость можно определить по выходным характеристикам. Для транзистора 2П303 выходная проводимость (см. рис. 7.3) равна

Величина выходной проводимости у полевого транзистора очень мала, она обусловлена изменением эффективной длины канала при изменении напряжения стока.

Коэффициент усиления. Для того чтобы сравнить воздействие напряжений стока и затвора на ток стока, введем еще один параметр — коэффициент усиления , равный отношению приращений напряжений стока и затвора, вызывающих одинаковое по величине и противоположное по знаку приращение тока стока:

(7.21)

Из соотношения (7.18) получим, что коэффициент усиления

= S/G_вых = SR_i (7.22)

равен отношению крутизны к выходной проводимости, или произведению крутизны на внутреннее сопротивление транзистора.

Зависимость дифференциальных параметров от частоты. Частотные свойства полевого транзистора обусловлены главным образом влиянием междуэлектродных емкостей и распределенных сопротивлений канала, стока и истока (рис. 7.6,а). К ним относятся:

емкости затвора на исток С_зи и подложку С_зп, определяющие реактивную составляющую входного (управляющего) тока;

емкость затвора по отношению к каналу С_зк, образующая совместно с сопротивлением r'_к канала и сопротивлением r_и истока RC-цепочку, снижающую крутизну, т. е. эффективность управления на высо­ких частотах;

емкость стока на затвор С_зс, создающая цепь обратной связи выходной цепи с входной, ограничивающая устойчивость усиления на высоких частотах;

емкость стока на подложку С_сп, обусловливающая реактивную составляющую выходного тока.

На рис. 7.6,б представлена эквивалентная схема полевого транзистора, отображающая все перечисленные элементы его структуры. В выходную цепь включены внутреннее сопротивление транзистора R_i, характеризующее воздействие стока на выходной ток (ток стока), и источник тока , определяющий управляемую составляющую выходного тока. Крутизна S при этом зависит от частоты входного напряжения. Найдем эту зависимость.

Напряжение на электронно-дырочном переходе затвора, определяющее эффект управления,

(7.23)

где полное сопротивление цепочки затвор — исток

Подставив это значение Z_зи в формулу (7.23), получим

,

где

(7.24)

Крутизна характеристики

Обозначив значение крутизны характеристики при =0, окончательно получим

(7.25)

Модуль крутизны

(7.26)

Eго зависимость от частоты такая же, как для модулей коэффициента передачи тока α и  биполярного транзистора (см. рис. 5.3). При  = _s крутизна S= S₀/ , т. е. она уменьшается в раз по сравнению со своим значением на низкой частоте.

Назовем величину _s предельной частотой проводимости прямой передачи.

Внутреннее сопротивление полевого транзистора Ri можно считать не зависящим от частоты, ввиду того что длина канала, а, следовательно, и его индуктивность очень малы; время распространения сигнала вдоль канала также очень мало.