Полевые транзисторы. Полевым транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором электрический ток создается основными носителями заряда под действием

Полевым транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором электрический ток создается основными носителями заряда под действием продольного электрического поля, а модуляция тока осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемым напряжением на управляющем электроде. Полевые транзисторы бывают двух разновидностей: с управляющим р-n переходом и с изолированным затвором (МДП- или МОП-транзисторы).

Область полупроводника, по которой проходит управляемый ток основных носителей, называется каналом. Электрод, от которого начинают движение основные носители заряда в канале, называется истоком. Электрод, являющийся приемником движущихся основных носителей, называется стоком. Электрод, используемый для управления величиной поперечного сечения канала, называется затвором.

Структура полевого транзистора с управляющим р-n переходом и с каналом n-типа представлена на рис. 1,а.

Рисунок 1

Полевой транзистор с управляющим р-n переходом представляет собой транзистор, затвор которого отделен от канала р-n переходом. Полевой транзистор состоит из пластины полупроводникового материала, которая может служить каналом и с торцов которой расположены два омических контакта (исток и сток). Канал может иметь электропроводность как n-, так и р-типа. В связи с этим полевые транзисторы с управляющим р-n переходом бывают с n- и р-каналами (рис. 1,б, в).

Напряжение источника питания U_си прикладывается к промежутку сток-исток таким образом, чтобы поток основных носителей двигался от истока к стоку. К промежутку затвор-исток прикладывается напряжение U_зи, запирающее управляющий р-n переход транзистора. При изменении обратного напряжения на р-n переходе изменяется площадь поперечного сечения канала и его сопротивление, а значит, и величина тока, протекающего через канал. Управление толщиной канала осуществляется напряжением U_зи, т.е. электрическим полем, возникающем в запирающем слое (без инжекции носителей). Поэтому такие транзисторы называются полевыми.

Характерное отличие полевых транзисторов с изолированным затвором состоит в том, что у них между металлическим затвором и областью полупроводника находится слой диэлектрика. В этом качестве чаще используется диоксид кремния. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором называются также МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП (металл-оксид-полупроводник).

Существуют два типа МДП-транзисторов: с индуцированным и встроенным каналами.

Упрощенная структура МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис. 2,а.

Основой транзистора является подложка, в качестве которой используется кремниевая пластинка с проводимостью n- или р-типа с относительно высоким удельным сопротивлением. На поверхности подложки создаются две сильнолегированные области, не имеющие между собой соединения, с противоположным относительно подложки типом проводимости. На этих областях осаждают внешние омические контакты, служащие истоком и стоком. Оставшаяся поверхность пластинки покрывается слоем диэлектрика, на который между истоком и стоком наносится металлический электрод, выполняющий роль затвора.

Рисунок 2

При подаче на затвор положительного относительно истока напряжения электрическое поле затвора через диэлектрик проникает на некоторую глубину в приконтактный слой полупроводника, выталкивая из него вглубь полупроводника основные носители заряда и притягивая электроны к поверхности. При малых напряжениях U_зи у поверхности полупроводника под затвором возникает обедненный основными носителями заряда слой и область объемного заряда, состоящего из ионизированных примесных атомов. При увеличении положительного напряжения на затворе в приконтактном поверхностном слое полупроводника происходит смена электропроводности (рис. 2,б) – образуется тонкий инверсный слой (канал), соединяющий сток с истоком. На рис. 2,в и 2,г приведены условные обозначения транзисторов соответственно с n- и р-каналами.

Полевые транзисторы со встроенным каналом. На стадии изготовления транзисторов между областями стока и истока создается тонкий слой (канал) с таким же типом электропроводности, что и области под выводами стока и истока (рис. 3,а). Условное обозначение транзисторов приведено на рис. 3,б и 3,в.

Рисунок 3

При нулевом напряжении на затворе и наличии внешнего напряжения между стоком и истоком протекает ток стока. Отрицательное напряжение, приложенное к затвору относительно истока и подложки, будет выталкивать электроны из канала, а в канал втягивать дырки из подложки; канал обедняется носителями. Толщина канала и его электропроводность уменьшается, что приводит к уменьшению тока стока. При некотором отрицательном напряжении на затворе (напряжение отсечки U_{зи отс}) происходит инверсия типа электропроводности канала. Области истока и стока оказываются разделенными областью p-полупроводника. Увеличение положительного напряжения на затворе МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа вызывает приток электронов в канал подложки. Канал расширяется, обогащаясь носителями, сопротивление его уменьшается, а ток стока возрастает.