Классификация и обозначение полевых транзисторов

Полевым транзистором называется четырехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором ток создается носителями одного знака, а управление током осуществляется электрическим полем.

Все полевые транзисторы по своим конструктивным особенностям можно разделить на две группы:

– полевые транзисторы с p–n-переходом;

– полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП -транзисторы).

В дальнейшем рассмотрим только вторую группу транзисторов.

МДП -транзисторы (структура металл–диэлектрик–полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния . Отсюда другое название этих транзисторов – МОП -транзисторы (структура металл–окисел–полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление этих транзисторов (10¹²…10¹⁴ Ом).

Принцип действия МДП -транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под действием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП -транзисторы выполняют двух типов: со встроенным и индуцированным каналом. Включение канала в электрическую цепь обеспечивается с помощью двух металлических электродов, один из которых называется истоком(И), а другой – стоком(С). Управление током канала осуществляется с помощью затвора (З), отделенного от канала слоем диэлектрика. Четвертым электродом является подложка (П), которая выполняет вспомогательную функцию и служит выводом исходной полупроводниковой пластины. МДП -транзисторы могут быть с каналом n- или p-типа. Условные графические обозначения МДП -транзисторов показаны на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Условные обозначения МДП-транзисторов
со встроенным каналом p-типа (а) и n-типа (б),
с индуцированным каналом p-типа (в) и n-типа (г)

5.2. МДП-транзистор со встроенным каналом

5.2.1. Конструкция транзистора

Рассмотрим процесс образования тока в канале МДП -транзистора со встроенным каналом. Конструкция такого транзистора с каналом n-типа показана на рис. 5.2. В исходной пластине кремния p-типа созданы области истока, стока и канала n-типа. Области истока и стока представляют собой объемы кремния сильно легированного примесью n-типа. Расстояние между истоком и стоком составляет примерно 1 мкм. Канал выполнен в виде участка слаболегированного кремния n-типа. Затвором служит металлическая пластина, изолированная от канала слоем окисла толщиной примерно 0,1 мкм. Вывод подложки соединяют с истоком.   5.2.2. Вольт -амперные характеристики транзистора Полевые транзисторы характеризуются входными и выходными вольт-ампер­ными характеристиками. Выходной характеристикой транзистора называется зависимость тока стока от напряжения исток–сток при постоянной величине напряжения на зат­воре , т. е. при .

Входной характеристикой называется зависимость тока стока от напряжения затвор–исток при фиксированном значении напряжения , т. е. при .

Выходные (стоковые) характеристики транзистора со встроенным каналом имеют вид, показанный на рис. 5.3, а. Рассмотрим вначале характеристику при отсутствии напряжения управления , что соответствует соединению затвора с истоком. Внешнее напряжение приложено к каналу (зажимам исток–сток) транзистора с полярностью, указанной на рис. 5.2. При через прибор протекает ток, определяющий исходную проводимость канала. На начальном участке характеристики, когда падение напряжения в канале мало, зависимость близка к линейной. По мере приближения к точке происходит сужение канала, из-за чего падение напряжения в канале все больше увеличивается, что повлияло на крутизну нарастания тока на участке . После точки сечение токопроводящего канала сужается до минимума и вызывает ограничение нарастания тока. Этот режим получил название режима насыщения, а напряжение, при котором происходит насыщение, называется напряжением насыщения .

Проводящие свойства канала определяются внешним управляющим напряжением , приложенным между затвором и истоком (подложкой).

Рис. 5.3. Характеристики транзистора со встроенным каналом:

а – стоковые характеристики; б – стоко-затворная характеристика

В случае поступления на затвор отрицательного напряжения , поперечное электрическое поле затвора оказывает отталкивающее действие на электроны – носители заряда в канале, которые выталкиваются из области канала в объем полупроводника подложки p-типа. Это приводит к уменьшению концентрации электронов в канале и соответственно к уменьшению проводимости канала. Вследствие этого стоковые характеристики при располагаются ниже кривой, соответствующей . Режим работы транзистора при , при котором происходит уменьшение концентрации носителей в канале, называется режимом обеднения.

При подаче на затвор положительного напряжения электрическое поле затвора притягивает электроны в канал из p-слоя полупроводника пластины. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, что соответствует режиму обогащения канала носителями. Проводимость канала возрастает, ток канала увеличивается. Стоковые характеристики при располагаются выше исходной ветви характеристики, соответствующей .

Если снять зависимость тока от напряжения для ряда значений напряжения , то получим семейство выходных характеристик полевого транзистора.

Примерный вид стоко-затворной характеристики полевого транзистора со встроенным каналом показан на рис. 5.3, б. Из рисунка следует, что ветвь характеристики при соответствует режиму обогащения, режим обеднения наблюдается при отрицательных значениях . При некотором значении отрицательного напряжения (напряжение отсечки) происходит полное закрытие канала, после чего ток канала уменьшается до нуля .

5.3. МДП -транзистор с индуцированным каналом

5.3.1. Конструкция транзистора

Конструкция МДП -транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис. 5.4.

Канал проводимости тока здесь специально не создается, а образуется (индуцируется) благо­даря притоку электронов из полупроводниковой пластины p-типа в случае приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока. За счет притока электронов в приповерхностном слое происходит из­менение электропроводности полупроводника, т. е. индуцируется токопроводящий канал n-типа, соединяющий области истока и стока. Проводимость канала возрастает с повышением приложенного к затвору напряжения положительной полярности. Таким образом, полевой транзистор с индуцированным каналом работает только в режиме обогащения.   5.3.2. Вольт-амперные характеристики транзистора Стоковые (выходные) вольт-амперные характеристики транзистора с индуцированным каналом приведены на рис. 5.5, а. Они близки по виду аналогичным характеристикам транзистора со встроенным каналом и имеют тот же характер зависимости . Отличие заключается в том, что управление током транзистора осуществляется напряжением только положительной полярности, совпадающей с полярностью напряжения . Ток стока равен нулю при , в то время как в транзисторе со встроенным каналом для этого необходимо изменить полярность напряжения на затворе относительно истока.

Рис. 5.5. Характеристики транзистора с индуцированным каналом:

а – стоковые характеристики; б – стоко-затворная характеристика

Вид стоко-затворной характеристики транзистора с индуцированным каналом показан на рис. 5.5, б. В отличие от транзистора со встроенным каналом, характеристика имеет только одну ветвь, соответствующую только режиму обогащения.

5.4. Основные параметры полевых транзисторов