Виды полевых транзисторных структур и дискретных транзисторов

Полевая транзисторная структура – это полупроводниковая структура, усилительные свойства которой определяются потоком основных носителей заряда, протекающим через проводящий канал и управляемый электрическим полем.

Полевые транзисторные структуры и изготовленные на их основе полевые элементы интегральных микросхем и дискретные полевые транзисторы являются униполярными, так как ток в них создается носителями заряда одного знака. В качестве проводящего канала выступает слой полупроводника, сопротивление которого регулируется посредством поперечного электрического поля, которое создается с помощью расположенного над каналом и электрически изолированного от него металлического электрода, называемого затвором.

В зависимости от способа изоляции различают полевые транзисторные структуры (полевые транзисторы):

- с управляющим переходом (изоляция затвора осуществляется обедненным слоем перехода – области пространственного заряда ;

- с металлопроводниковым затвором (МЕП - транзисторы, или транзисторы Шоттки) – изоляция осуществляется обедненным слоем перехода металл – полупроводник;

- с изолированным затвором, у которых канал изолируется слоем диэлектрика (МДП – транзисторы, структура затворной области — металл – диэлектрик - полупроводник).

В зависимости от типа проводимости канала различают полевые структуры с и каналом. Кроме того, структуры бывают нормально открытыми и нормально закрытыми. Материалом для изготовления полевых транзисторов являются Ge, Si, GaAs, SiC,CdS.

2. Устройство и принцип действия полевого транзистора с управляющим переходом

Схема устройства одного из вариантов полевого транзисто­ра с управляющим р - п переходом и проводящим каналом -типа показана на рис.1.

Основу транзистора составляет пластина 1 из полупроводникового материала (например, - кремния). На кон­цах пластины находятся электроды - исток 2 (И), через который в проводящий канал втекают носи­тели заряда, и сток 5 (С), через который из проводящего канала вытекают носители заряда. Затвор транзистора образован двумя тонкими металлическими пластинами 3, расположенными на противоположных поверхностях полупровод­никовой пластины. Металлические пластинки 3 контактируют с сформированными в пластине 1 на его противоположных сторонах слоями 4 с проводимостью типа, противоположного типу примеси полупроводниковой пластине (в данном случав с проводимостью -типа). Концентрация примесей в пластине 1 значитель­но ниже, чем в слоях 4, поэтому области пространственного за­ряда 6 переходов в пластине 1 существенно шире, чем в сло­ях 4, расположенных в основном в пластине 1. Проводящий канал 7 в пластине 1 образуется в зоне затвора с границами, опреде­ляемыми областями пространственного заряда переходов, обедненными подвижными носителями заряда и имеющими электро­проводность, практически равную нулю. Максимальное значение толщины канала составляет обычно десятые доли и единицы микрометров, длина канала единицы микрометров, ширина - в сотни и тысячи раз больше длины.

Принцип действия полевого транзистора с управляющим переходом основан на изменении сопротивления проводящего кана­ла путем изменения толщины и формы областей пространственного заряда переходов при подаче на затвор напряжения обрат­ного включения. Сопротивление проводящего канала изменяется за счет изменения как площади его сечения, так и длины. При нали­чии напряжения стока это приводит к изменению тока стока.

Если на сток подать положительный потенциал относительно истока, то через пластину потечет ток, величина которого опре­деляется напряжением стока и сопротивлением проводящего кана­ла пластины. Величину сопротивления канала можно изменять пу­тем подачи на затвор относительно истока отрицательного потен­циала, смещающего переходы в обратном направлении.

Действительно, при увеличении обратного напряжения толщи­на области пространственного заряда перехода, обедненной под­вижными носителями заряда (электронами), увеличивается, сече­ние канала уменьшается, а сопротивление канала растет.

В результате изменения сопротивления канала ток стока из­меняется, несмотря на то, что напряжение стока остается посто­янным.

Таким образом, в полевой транзисторной структуре имеется возможность управления током стока изменением напряжения зат­вора, а значит, существует возможность усиления по мощности, если учесть, что входная цепь (цепь затвора) является практи­чески бестоковой, т.е. почти не потребляет энергии от источ­ника сигнала.

Сечение канала в полевой структуре неодинаково на разных расстояниях от истока из-за падения напряжения на самом кана­ле за счет тока стока. Если считать потенциал затвора по всей длине канала одинаковым, то разность потенциалов, а значит, и толщина перехода по всей длине канала будет увеличивать­ся, а сечение канала - сужаться по мере удаления от истока, так как разность потенциалов на переходе, а значит, и толщина перехода увеличиваются по мере приближения к стоку. Увеличение напряжения стока вызывает рост тока стока и од­новременно сужает канал, так что при некотором напряжении, на­зываемом напряжением насыщения , сближающиеся области переходов полностью перекрывают канал, и рост тока пре­кращается, так как одновременно с дальнейшим увеличением нап­ряжения стока длина участка перекрытия канала, а, следовательно, и его сопротивление увеличиваются, т.е. практически все дополнительное напряжение падает на участке перекрытия. При этом наступает так называемое насыщение тока стока.

Наибольшее значение тока насыщения наблюдается при напря­жении затвора, равном нулю, т.е. при соединении затвора с ис­током.

Полевая транзисторная структура может быть заперта ( =0) подведением к затвору некоторого напряжения

, называемо­го напряжением отсечки и соответствующего перекрытию канала еще до появления тока стока. Перекрытие канала нас­тупает при вполне определенной разности потенциалов на переходе, поэтому | |= | | ( где = при = 0).

Рассмотренная выше полевая структура является нормально открытой, так как в ней существует проводящий канал при нулевом напряжении затвора ( = 0).

В качестве материала исходной пластины для образования структуры полевого транзистора может быть выбран также полу­проводник - типа. При этом область со стороны затвора должна иметь электропроводность - типа, а полярность источников пи­тания должна измениться на противоположную.

Вообще говоря, схема устройства полевого транзистора с уп­равляющим переходом может существенно отличаться от рас­смотренной. Например, широко распространенный планарно-эпитаксиалъный полевой транзистор имеет структуру, схема которой по­казана на рис.2.

В этой структуре - канал образуется в эпитаксиальном - слое и располагается между низкоомной - обла­стью (низкоомным затвором) и высокоомной - областью (высокоомным затвором). Иногда выводы от верхнего и нижнего затворов делают раздельными (в так называемых транзисторах с расщеплен­ным затвором).