Полевые транзисторы.

Полупроводниковые приборы, работа которых основана на модуля­ции (изменении) сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем, называют полевыми транзисторами. Этот тип полу­проводниковых приборов называют еще униполярными или канальными транзисторами. У них в создании электрического тока участвуют носители заряда только одного знака (только электроны или только дырки). В соответ­ствии с особенностями структурной схемы существует два типа транзисто­ров: а) с управляющим «р - n» переходом и б) с изолированным затвором, которые в свою очередь подразделяются на 1) МДП транзисторы с индуци­рованным каналом, 2) МДП транзисторы со встроенным каналом. Так как канал транзистора может быть выполнен из материала р - типа или n - типа то для различия перечисленных вариантов полевых транзисторов применя­ются шесть следующих обозначений условно-графических:

ПТУП - полевой транзистор с управляющим переходом

ПТИЗ - полевой транзистор с изолированным затвором.

Рассмотрим принцип действия полевого транзистора с управляющим р - n переходом и каналом n - типа на примере рис. 30 структуры (рис. 30,а) и схемы включения (рис. 30, б). ,,.

Как видно из рис. 30 а и б транзистор представляет собой пластинку (объем) из полупроводникового материала например проводимости «n» - ти­па на концах которого имеются два вывода - электроды стока и истока. Вдоль пластинки выполнен р - n переход или переход Шотки от которого имеется третий вывод - затвор. В некоторых типах транзисторов под «n» об­ластью находится слабо легированная «р» область - подложка и от нее может отходить четвертый электрод - подложки. При приложении к стоку и истоку разности потенциалов через канал течет ток стока (I_с). Если на затворе отсут­ствует напряжение, то проводимость канала определяется концентрацией донорных примесей. Если на затвор подать отрицательное напряжение (относи­тельно истока), то р - n переход будет обратно включенным и электроны будут выталкиваться этим напряжением из области «n» в подложку и

сопро­тивление канала будет увеличиваться. С увеличением напряжения U_зи канал все большей степени будет обедняться носителями заряда, сопротивление его будет возрастать и при некотором значении обратного напряжения канал пе­рекроется.

Такое напряжение U_зи называется напряжением отсечки.

Необходимо дополнительно заметить что ток I_с, протекая по каналу от истока к стоку создает вдоль канала падение напряжения. Причем это на­пряжение будет изменяться по длине канала от нулевого значения у стока до наибольшего ∆U_си у истока. По способу включения это напряжение является обратным для р - n перехода то есть по отношению к затвору. Складываясь с напряжением U_зи это напряжение будет изменять форму сечения канала, придавая ему характер конуса или воронки; в результате сечения канала бу­дет уменьшаться от истока к стоку.

Вследствие обеднения канала носителями заряда его сопротивление может достигать нескольких МОм (мегаом), а остаточный ток стока I_с опре­деляется величиной обратного тока управляющего перехода порядка не­скольких мкА (микроампер). При использовании затвора в качестве входного управляющего электрода входное сопротивление полевого транзистора очень большое, а величиной входного тока практически можно пренебречь. Если на затвор подавать переменное напряжение то в соответствии с ним будет изме­няться и ток стока. На выходе в цепи стока появится переменная составляю­щая тока, представляющая собой усиленный электрический сигнал входного напряжения.

Аналогично с биполярным транзистором полевые транзисторы могут быть включены по схеме: а) с общим истоком, б) общим стоком, в) общим затвором и для этих схем включения возможно измерить и построить вольтамперные характеристики.

На практике используются характеристики, выражающие зависимо­сти:

1.I_c = f (U_си) при U_зи = const - сток - истоковая характеристика

2.I_c = f (U_зи) при U_c = const - стоко - затворная характеристика

Необходимо пояснить, что общий коэффициент усиления по мощно­сти К_р = Ku*Ki будет много больше так как входной ток транзистора порядка единиц микроампер, а выходной единиц миллиампер то К_р может достигать нескольких тысяч.

Полевые транзисторы с изолированным затвором.

Данные транзисторы отличаются от полевых транзисторов с управ­ляющим р - n переходом тем, что электрод затвора изолирован от полупро­водниковой области (канала) слоем диэлектрика (как правило это Si0₂), т.е. имеет место структура.

Металл - диэлектрик - полупроводник - МДП.

Металл - окисел - полупроводник - МОП.

Рассмотрим МДП транзистор с индуцированным каналом:

Такой транзистор выполнен на основе кристаллической пластинки слабо легированного кремния (Si) проводимости n - типа - область N (под­ложка). В толще подложки созданы две сильно легированные области с про­водимостью р - типа (р+). Металлические пленки над ними с выводами яв­ляются электродами стока и истока.

Поверхность кристалла покрыта диэлектриком SiO₂, изолирующим затвор (3) от подложки. Области с высокой концентрацией носителей р+ об­разуют с полупроводником N р - n переход, один из них при любой полярно­сти напряжения на стоке относительно и тока оказывается включенным в об­ратном направлении и препятствует протеканию тока I_с.

В исходном состоянии, при отсутствии управляющего напряжения на затворе, токопроводящий канал между истоком и стоком отсутствует. В ра­бочем режиме канал возникает (индуктируется) под воздействием соответст­вующего напряжения на затворе. При отрицательном напряжении на затворе (по отношению к областям р+) электрическое поле через тонкий слой ди­электрика SiO₂ проникает в толщу подложки, выталкивает электроны и при­тягивает дырки. Пропорционально увеличению концентрации дырок увели­чивается проводимость канала и растет ток стока I_С. Минимальное напряже­ние, при котором индуцируется канал называется пороговым и обозначается U_зи пороговое. Таким образом МДП - транзистор с индуцированным каналом работает в отличие от транзистора с управляющим р - n переходом не в ре­жиме обеднения и в режиме обогащения канала носителями заряда.

Рисунок 33.

В данном транзисторе токопроводящий канал создается технологиче­ским способом в виде тонкого и слаболегированного полупроводникового слоя, объединяющего исток со стоком. В таком канале I_с возможен при нуле­вом напряжении на затворе. Отрицательное напряжение на затворе выталки­вает из канала электроны и обогащает его дырками, повышая тем самым его проводимость. При положительном напряжении на затворе будут выталки­ваться дырки и соответственно будет уменьшаться проводимость от перво­начального значения. Таким образом транзистор данного типа работает как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения канала носителями заряда.