1.6. Полевые транзисторы

Полевым транзистором (ПТ) называется полупроводниковый прибор с одним обратно смещенным p-n-переходом и тремя выводами – истоком, затвором и стоком, выходной ток которого обусловлен не инжекцией основных носителей (как у БПТ), а расширением или сужением p-n перехода за счет потенциала (поля) затвора, предназначенный для усиления и преобразования электрического сигнала.

В отличие от БПТ в ПТ носители тока только одного типа: дырки в ПТ со структурой p-n, либо электроны в ПТ со структурой n-p, поэтому полевые транзисторы часто называют униполярными (рис.64). Третье название ПТ – канальные, так как ток транзистора протекает в канале «исток-сток», поперечное сечение которого перекрывается за счет расширения поля затвора.

Основному же названию «полевой» эти транзисторы обязаны электрическому полю, возникающему при приложении напряжения между затвором и истоком, который управляет током через канал.

Рис. 64. Структура и схема включения (а) и символы структуры ПТ

с каналами n- и p-типов (б)

В усилительном режиме (рис.64,а) затвор обычно смещается в обратном направлении и запирающий слой p-n-перехода расширяется, если отрицательная полуволна входного напряжения добавляет «минус» на затворе, т.е. ширина n-канала уменьшается, что эквивалентно увеличению его сопротивления. Вследствие этого протекание тока через канал от истока к стоку нарушается и даже совсем прекращается, когда запирающий слой охватывает весь канал. При этом небольшие изменения напряжения на затворе вызывают большие изменения падения напряжении на сопротивлении нагрузки, т. е. в стоковой цепи.

Описанный принцип действия ПТ характеризуется так называемый транзистор с управляющим p-n-переходом. Существуют также другие типы полевых транзисторов, например, типов МДП и МОП («металл-диэлектрик-полупроводник» и «металл-окисел-полупроводник»), структуры с индуцированными и встроенными каналами, диффузионными и изолированными затворами, краткая характеристика которых приведена ниже.

На рис. 65 приведены проходные вольтамперные характеристики (зависимости тока стока от напряжения на затворе при неизменном напряжение на стоке) транзисторов с каналами n- и p-типов электропроводности и графические символы этих транзисторов.

Рис. 65. Выходная (а) и затворно-стоковая (б) характеристики ПТ с управляющим p-n-переходом

Проходные характеристики полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом хорошо аппроксимируются выражением [1]

где – начальный ток стока (ток стока при ); – напряжение отсечки, которое по величине не отличается от напряжения перекрытия канала (напряжения насыщения).

Теоретическое значение показателя степени n = 2, однако экспериментально наблюдаются значения n = 1,5-2,5. Такой разброс экспериментальных значений показателя объясняется конструктивно-технологическими различиями, в частности, различиями распределений концентраций примесей в областях канала и затворов [23].

Таким образом, полевые транзисторы с управляющим p-n переходом работают в режиме обеднения канала носителями заряда (независимо от типа его проводимости) при изменении напряжения затвор-исток от нулевого значения до напряжения отсечки.

Выходная характеристика (рис. 66,а) имеет три области, в которых свойства ПТ значительно отличается. В линейной, малосигнальной, области I ( ) ПТ может использоваться как управляемый полем затвора резистор (рис.66,б). Область насыщения II, зависящая от управляющего напряжения на затворе, «усилительная». В этом режиме ПТ обладает усилением, характеризующимся крутизной . Область III – область пробоя.

Рис. 66. Выходная (а) и затворно-стоковая (б) характеристики ПТ с управляющим p-n-переходом

Более совершенны ПТ с изолированным затвором, в которых затвор отделен от полупроводниковой подложки тонкой (0,15–0,3 мкм) диэлектрической пленкой из окислов кремния, которые принято называть МОП-транзисторами. При использовании в ПТ иных или слоистых диэлектриков транзисторы называют МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник).

В зависимости от типа и механизма электропроводности ПТ с изолированным затвором делятся на две группы: ПТ с индуцированным каналом p-типа и ПТ со встроенным каналом n-типа. Структура одного из них показана на рис. 67.

Рис. 67. Разрез структуры МДП-транзистора с индуцированным каналом: 1 – область стока; 2 – металлизация затвора; 3 – подложка; 4 – область истока; 5 – диэлектрик; 6 – область канала

На рис. 68 приведены проходные вольтамперные характеристики МДП-транзисторов и их обозначения. В отличие от транзисторов с управляющим p-n-переходом, у которых рабочая область простирается от = 0 до запирания, МДП-транзисторы сохраняют высокое входное сопротивление при любых напряжениях на затворе, которое ограничено напряжением пробоя изолятора затвора.

У МДП-транзисторов всех типов потенциал подложки относительно истока оказывает существенное влияние на вольтамперные характеристики и параметры транзистора. Это обусловлено тем, что в них p-n-переход «канал-подложка» действует как затвор ПТ с управляющим p-n переходом. Вид статических характеристик МДП-транзисторов различных типов, а также условные графические изображения основных ПТ показаны на рис. 69–71.

Рис. 68. Проходные вольтамперные характеристики полевых транзисторов с изолированным затвором

Рис. 69. Статические характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом

Рис. 70. Статические характеристики управления МДП-транзистора с индуцированным каналом для различных напряжений на подложке относительно истока и

Рис. 71. Условные графические изображения полевых транзисторов. 1 – с управляющим p-n-переходом; 2 – с индуцированным каналом; 3 – со встроенным каналом (а – канал n-типа; б – канал p-типа)

В таблице 3 приведены режимы работы и полярности напряжений на электродах ПТ относительно электрода «исток» ( – напряжение подложки) [22].

Таблица 3

Тип полевого транзистора	Тип канала	Тип под-ложки	Режим
Транзисторы с управляющим p-n-переходом	n	p	Обеднение	<0	<0	>0	≤0
	p	n	Обеднение	>0	>0	<0	≥0
МДП-транзистор с индуцированным каналом	p	n	Обогащение	<0	<0	<0	≥0
МДП-транзистор со встроенным естественным каналом	n	p	Обеднение	<0	<0	>0	≤0
			Обогащение	>0
МДП-транзистор с каналом, встроенным технологическим путем	n	p	Обеднение	<0	<0	>0	≤0
			Обогащение	>0
	p	n	Обеднение	>0	>0	<0	≥0
			Обогащение	<0

Работа ПТ в усилительной и преобразовательной схемах будет рассмотрена в следующих разделах.

Для всех типов ПТ ценным для практики является высокие входные и выходные сопротивления. У МОП ПТ с изолированным затвором канал отделен от затвора тонким изолирующим слоем, что существенно повышает высокое выходное сопротивление, что очень ценно при согласовании нагрузок с каскадами на ПТ.

Основным преимуществом ПТ над БПТ помимо высоких входного и выходного сопротивлений является малые шумы и высокие температурные и радиационные свойства. Основной же недостаток – малое усиление.