5.3. Польові транзистори. Будова, принцип роботи та характеристики

В польових транзисторах протікання струму обумовлено дрейфом носіїв заряду одного знаку (тобто або електронів, або дірок) у поздовжньому електричному полі через керований канал п- або р-типу. Керування струмом через прилад здійснюється поперечним електричним полем, а не вхідним струмом, як в біполярних транзисторах. Завдяки цьому польові транзистори майже не споживають струму у вхідному колі. У пристроях промислової електроніки використовують польові транзистори двох типів: із затвором у вигляді р - п- переходу та з ізольованим затвором.

Структуру польового транзистора площинної конструкції показано на рис. 5.4, а. Прилад складається з пластини кремнію з електропровідністю р-типу, що являє собою канал транзистора, до торців якої приєднані два металевих контак­ти, які відповідно називають витоком та стоком. До цих електродів послідовно підімкнено опір навантаження R та джерело живлення Е_с. Напруга джерела має таку полярність, що основні носії зарядів (дірки в каналі р-типу) пересуваються від витоку до стоку. На протилежні грані пластини кремнію введені донорні домішки, що перетворюють її поверхневі шари в області напівпровідника n-типу. З'єднані електрично разом, ці шари створюють єдиний електрод, який називають затвором. Умовні схемні позначення польових транзисторів із затвором n-типу та р-типу і, відповідно, каналом р-типу та п-типу показані на рис. 5.4, б і 5.4, в.

Рис. 5.4 Схеми підключення та стокові характеристики польового транзистора

Розглянемо принцип дії польового транзистора з каналом р-типу. На рис. 5.4, г показана сім'я стокових (вихідних) характеристик цього приладу І_с = І_с(U_св) для U_зв = const. Якщо керуюча напруга U_зв=0 то, під дією напруги U_св в каналі тече струм, що залежить від опору каналу. Через коло управління плюсовий потенціал напруги U_св під'єднано до затвору n-типу. Отже, напруга U_св створює зворотне зміщення р - n-переходу, тобто розширює його. Найбільше розширення р - n-переходу має місце поблизу стоку, тому що потенціал стоку є нижчим, ніж витоку. В зоні же витоку р - n-перехід не розширюється, оскільки потенціали затвору і витоку однакові. Чим більша буде напруга U_св, тим більшою буде ширина подвійного електричного шару р - n-переходу, в якому відсутні носії зарядів. Розширення цього шару викликає звуження перетину каналу і збільшення його опору, внаслідок чого стокова характеристика має нелінійний характер (рис. 5.4, г). Для певного значення напруги U_св границі р - n-переходів поблизу стоку з'єднуються і збільшення струму І_с практично припиняється.

Якщо прикласти до затвору додатну напругу U_зв, р - n-перехід ще сильніше зміщується в зворотну сторону тепер вже по всій довжині каналу. Внаслідок цього канал, що проводить струм, звужується і струм І_с зменшується. Таким чином, збільшуючи напругу U_зв, можна зменшувати струм І_с, що і показано на рис. 5.4, г. При цьому струм управління І_з близький до нуля, оскільки він дорівнює зворотному струму через р - n-перехід. Стокові характеристики подібні до колекторних характеристик біполярних транзисторів і мають дві ділянки: круту та пологу. Остання використовується для роботи транзисторів у підсилювальних пристроях. Крута ділянка характеристик використовується в перемикаючих пристроях. За відсутністю напруги U_зв, транзистор відкритий, а при певному значенні, яка називається напругою відсічки, струм І_с наближається до нуля, що дає можливість використовувати транзистор у режимі ключа.

Польові транзистори з ізольованим затвором називають також МДН-транзисторами (метал - діелектрик - напівпровідник). На рис. 5.5, а показано розріз МДН-транзистора. Поверхня кристала напівпровідника р-типу покрита діелектричною плівкою двооксиду кремнію. Через отвори в діелектричній плівці в тілі напівпровід­ника, що називають підкладкою, створені дві сильнолеговані області з провідністю п, тобто протилежною провідності підкладки, і тонка перемичка між ними, що називається каналом. Області гс-типу обладнані зовнішніми виводами: В - витік, С - стік. Над шаром двоокису кремнію між витоком і стоком нанасять металевий шар, вивід від якого використовується як затвор 3. Підкладка з'єднується з витоком або в середині приладу, або у зовнішньому колі, для чого підкладка має свій вивід П. Оскільки діелектриком в МДН-транзисторах служить оксид, то їх ще називають МОН-транзис-торами згідно з їх структурою метал-оксид-напівпровідник. Віддаль між витоком і стоком в МДН-транзисторах складає всього 5-10 мкм. Для виготовлення МДН-транзистора потрібна лише одна дифузія, тоді як для виготовлення біполярного транзистора потрібні три дифузії. Крім того МДН-транзистор займає меншу площу поверхні кристалу, ніж біполярний транзистор. Тому саме МДН-транзистори широко використовуються для виготовлення так званих інтегральних схем.

Розглянемо принцип дії МДН-транзистора з каналом n-типу. Його стокові (вихідні) характеристики для різних U_зв= const показані на рис. 5.5, б. При відсутності керуючої напруги U_зв = 0 через канал тече певний струм I_с. Збільшення напруги джерела U_св викликає зміщення р - n-переходупідкладка-канал в зворотному напрямку. Тобто р - n-перехід розширюється, а канал звужується. Особливо інтенсивно звуження каналу відбувається поблизу стоку n-типу С, оскільки до нього прикладено плюс напруги U_св , а до підкладки р-типу - її мінус. Отже, зростання напруги U_св викликає збільшення опору каналу так само, як і в польовому транзисторі з р - n-переходом між затвором та каналом і стокова характеристика для U_зв = 0 має вигляд подібний показаному на рис. 5.5, б.

Рис. 5.5 МДП – транзистор та його характеристики

Якщо прикласти до затвору керуючу напругу U_зд додатного напрямку, як це показано на рис. 5.5, а, то електричне поле затвора буде притягувати електрони з підкладки в канал. їх концентрація в підкладці р-типу незначна, але завдяки великій масі підкладки їх кількості достатньо для збагачення каналу і струм в каналі зросте. Має місце режим збагачення каналу (див. характеристики рис. 5.5, б для U_зв > 0).

За наявністю від’ємної напруги U_зв на затворі електричне поле виштовхує електрони з каналу в підкладку, опір каналу збільшується і струм I_c зменшується (режим збіднення) як це видно з характеристик рис. 2.14, б для U_зв < 0. Оскільки затвор є ізольованим від інших елементів кола, струм А» надзвичайно малий. Потуж­ність кола керування МДН-транзистора практично дорівнює нулю.

Аналогічно функціонує і інша різновидність МДН-транзисторів - з каналом р-типу і підложкою я-типу. Напрямки струмів і напруг будуть протилежними показаним на рис. 5.5, а. Схемні позначення МДН-транзисторів з підкладками р-типу та n-типу (відповідно з каналами л-типу та р-типу) показані на рис. 2.15, а та 5.6, б.

Рис. 5.6 Схемні позначення МДН-транзисторів

Розглянені МДН-транзистори є приладами з вбудованими каналами. Але, крім таких транзисторів широко використовуються МДН-транзистори з наведеним каналом. В таких приладах спеціальний канал між витоком і стоком не створюється. Тому за наявністю напруги U_зв = 0 стоковий струм відсутній I_c = 0 (транзистор нормально закритий). Прилад може працювати тільки в режимі збагачення, коли поле затвору притягує з підкладки носії відповідного знаку, які створюють провідний канал між витоком і стоком. Сім'я стокових характеристик МДН-транзисторів з наведеним каналом п-типу показана на рис. 5.5, в. Схемні зображення МДН-транзисторів з наведеним каналом п-типу показані на рис. 5.6, в, а з каналом р-типу - на рис. 5.6, г.

МДН-транзистори використовуються головним чином, як ключові елементи. МДН-транзистори з вбудованим каналом являють собою нормально ввімкнений ключ, який за відсутністю вхідного сигналу знаходиться у ввімкненому стані (транзистор проводить струм, опір каналу малий). В разі подачі на затвор керуючого сигналу певної полярності транзистор закривається, що відповідає вимиканню ключа.

МДН-транзистори з наведеним каналом простіші у виготовленні. З застосуванням технології виготовлення ІМС вони широко використовуються в ЕОМ та інших мікроелектронних пристроях. За відсутністю сигналу на затворі вони знаходяться в непровідному стані і проводять струм тільки після подачі потенціалу на вхід (затвор) транзистора. На базі МДН-транзисторів обох типів у ІМС утворюються ключі, близькі до ідеальних. Коли ключі ввімкнені, їх опір практично дорівнює нулю, а коли вимкнені - він дорівнює біля 10¹² Ом, тобто безмежно великий. На базі МДН-транзисторів можна отримати і інші елементи. Якщо канал зробити довшим і більш вузьким, ніж звичайний, а на його затвор подати відкриваючий потенціал, то струм буде йти по каналу, але коло каналу буде мати певний опір. Отже, можна використовувати МДН-транзистори як резистори.

Можна використовувати МДН-транзистори і як конденсатори, оскільки затвор з ізольованим від нього оксидом кремнію каналом можна використовувати і для накопичення зарядів.

Таким чином, МДН-транзистори можна використовувати в ІМС як ключі, резистори і конденсатори, що дає широкі можливості розробникам для розв'язку різних задач.