Полевые транзисторы

Биполярные транзисторы, нашли чрезвычайно широкое применение в различных областях электронной техники. Однако в ряде случаев их использование затруднено, так как эти приборы управляются током, т. е. потребляют заметную мощность от входной цепи. Это препятствует их использованию при подключении к маломощным источникам входного сигнала. Указанного недостатка лишены полевые транзисторы — полупроводниковые приборы, которые практически не потребляют ток из входной цепи.

Полевые транзисторы подразделяются на два типа, отличающихся друг от друга принципом действия:

• с р-n переходом
• МДП-типа (металл-диэлектрик-полупроводник, которые также называют МОП (металл-оксид-полупроводник))

Полевые транзисторы с р-n переходом имеют структуру, разрез которой приведен на рис. 1.а. Слой с проводимостью р-типа называется каналом, он имеет два вывода во внешнюю цепь: С — сток и И — исток. Слои с проводимостью типа n, окружающие канал, соединены между собой и имеют вывод во внешнюю цепь, называемый затвором 3. Подключение источников напряжения к прибору показано на рис. 1.а, на рис. 1.б показано схемное обозначение полевого транзистора с р-n переходом и каналом р-типа. Существуют также полевые транзисторы с каналом n-типа, их обозначение приведено на рис. 1.в, принцип действия аналогичен, но направления токов и полярность приложенных напряжений противоположны.

Рассмотрим принцип действия полевого транзистора с каналом р-типа. На рис. 1.г приведено семейство стоковых (выходных) характеристик этого прибора Iс = f(Uси) при Uзи = const.

При управляющем напряжении Uзи = 0 и подключении источника напряжения между стоком и истоком Uси по каналу течет ток, который зависит от сопротивления канала. Напряжение Uси равномерно приложено по длине канала, это напряжение вызывает обратное смещение р-n перехода между каналом р-типа и n-слоем, причем наибольшее обратное напряжение на р-n переходе существует в области, прилегающей к стоку, а вблизи истока р-n переход находится в равновесном состоянии. При увеличении напряжения Uси область двойного электрического слоя р-n перехода, обедненная подвижными носителями заряда, будет расширяться,как показано на рис. 2.а. Особенно сильно расширение перехода проявляется вблизи стока, где большое обратное напряжение на переходе.

Расширение р-n перехода приводит к сужению проводящего ток канала транзистора, и сопротивление канала возрастает. Из-за увеличения сопротивления канала при росте Uси стоковая характеристика полевого транзистора имеет нелинейный характер (рис. 1 г). При.некотором напряжении Uси границы р-n перехода смыкаются (пунктир на рис. 2,а), и рост тока Iс при увеличении Uси прекращается.

При приложении положительного напряжения к затвору Uзи>0 р-n переход еще сильнее смешается в область обратного напряжения, ширина перехода увеличивается, как показано на рис. 2.б. В результате канал, проводящий ток, сужается и ток Iс уменьшается. Таким образом, увеличивая напряжение Uзи, можно уменьшить Iс, что видно из рассмотрения рис. 1.г. При определенном Uзи называемом напряжением отсечки, ток стока практически не протекает. Отношение изменения тока стока ΔIс к вызвавшему его изменению напряжения между затвором и истоком ΔUзи при Uси =const называется крутизной:

S = ΔIc/Uзи при Uси = const

В отличие от биполярных транзисторов полевые транзисторы управляются напряжением, и через цепь затвора протекает только малый тепловой ток Iз р-n перехода, находящегося под действием обратного напряжения. Стоковые характеристики, так же как и коллекторные характеристики биполярного транзистора, имеют два участка: крутой и пологий; последний используется при работе транзистора в усилительных устройствах, в то время как начальный крутой участок характеристик — при их работе в переключательных устройствах.

Ток стока полевого транзистора сильно зависит от температуры. Во-первых, с ростом температуры электропроводность примесных полупроводников в рабочем диапазоне температур уменьшается. Во-вторых, при нагреве ширина р-n перехода уменьшается, а канал расширяется. В результате воздействия этих двух факторов при нагреве ток стока при Uзи = const может изменяться различным образом — как увеличиваться, так и уменьшаться.

Предельные частоты, на которых могут работать полевые транзисторы, весьма высоки. Основным ограничительным фактором здесь является емкость р-n перехода, площадь которого сравнительно велика. Выпускаемые промышленностью полевые транзисторы с р-n переходом способны работать в мегагерцовом диапазоне частот.

Полевые транзисторы МДП-типа (металл — диэлектрик — полупроводник) называют также полевыми транзисторами с изолированным затвором. На рис. 3.а показан разрез МДП-транзистора. У поверхности кристалла полупроводника — подложки с проводимостью р-типа созданы две области с проводимостью n-типа и тонкая перемычка между ними, называемая каналом. Области n-типа имеют выводы во внешнюю цепь: С — сток и И — исток. Полупроводниковый кристалл покрыт окисной пленкой диэлектрика, на которой расположен металлический затвор З, связанный с внешней цепью. Таким образом, затвор электрически изолирован от цепи исток — сток. Подключение источников Uси и Uзи показано на рис. 3.а. Подложка соединяется с истоком; это соединение либо осуществляется внутри прибора, либо подложка имеет вывод во внешнюю цепь (П) и это соединение осуществляется по внешней цепи.

Рассмотрим принцип действия прибора. Его стоковые (выходные) характеристики Iс = f(Uси) при Uзи=const приведены на рис. 3.б. При отсутствии управляющего напряжения Uзи = 0 через канал между n-областями протекает ток Iс. При увеличении напряжения источника Uси p-n переход между подложкой и каналом смещается в обратном направлении, причем наибольшее обратное напряжение на переходе получается вблизи стока. При обратном смещении р-n перехода расширяется двойной электрический слой, обедненный подвижными носителями заряда и сужается канал, проводящий ток. По мере роста Uси увеличивается сопротивление канала, рост тока стока замедляется, а при перекрытии переходом сечения канала при увеличении Uси ток Iс практически не изменяется. В этом режиме процессы в МДП-транзисторе аналогичны процессам в полевом транзисторе с р-n переходом.

При приложении положительного напряжения к затвору электрическое поле притягивает электроны из подложки, они скапливаются в области канала, сопротивление канала уменьшается и ток стока растет (режим обогащения) (см. характеристики на рис. 3. б при Uси>0).

При отрицательном напряжении на затворе электрическое поле выталкивает электроны из канала в подложку, сопротивление канала увеличивается и ток Iс падает (режим обеднения).

Таким образом, при изменении управляющего напряжения Uзи изменяется выходной ток прибора Iс, причем связь приращений выходной и входной величин определяться крутизной:

S = ΔIc/ΔUзи при Uси = const

Поскольку затвор изолирован от остальной цепи, чрезвычайно малый ток затвора Iз вызывается только утечкой по изоляции. Мощность управляющей цепи МДП-транзистора практически равна нулю.

Аналогично функционирует и другая разновидность МДП-транзистора — с каналом р-типа. Такой полевой транзистор имеет подложку n-типа, направление токов и полярность напряжений противоположна показанным на рис. 3.а. Обозначение МДП-транзисторов с каналами n-типа и р-типа показано на рис. 4, а и б.

Рассмотренные МДП-транзисторы являются приборами со встроенным каналом.

Помимо этого существуют МДП-транзисторы с индуцированным каналом n-типа (рис. 4, в) и р-типа (рис 4, г). При изготовлении этих приборов специальный канал между областями, связанными со стоком и истоком, не создается и при напряжении Uзи = 0 выходной ток отсутствует, Iс = 0. Прибор может работать только в режиме обогащения, когда поле затвора притягивает носители соответствующего знака, создающие проводящий канал между областями истока и стока. Семейство стоковых характеристик МДП-транзисторов с индуцированным каналом n-типа приведено на рис. 3,в. При напряжении на затворе меньшем напряжения отсечки, ток стока Iс практически отсутствует.

Наличие четырех типов МДП-транзисторов дает большие возможности разработчикам при реализации различных задач, в том числе путем комбинации полевых транзисторов различных типов .

Источник — Г.Н. Горбачев, Е.Е. Чаплыгин. «Промышленная электроника» 1988 г.