7,8,9. Полевые транзисторы

Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, усилитель­ные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал, и управляемым электрическим полем.

Полевой транзистор в отличие от биполярного иногда назы­вают униполярным, так как его работа основана на использова­нии только основных носителей заряда — либо электронов, либо дырок. Поэтому в полевых транзисторах отсутствуют процессы изменения (накопления и рассасывания) объемного заряда неос­новных носителей, оказывающие заметное влияние на быстродействие биполярных транзисторов. Основным способом движения носителей заряда, образующих ток полевого транзистора, является их дрейф в электрическом поле. Проводящий слой, в котором соз­дается рабочий ток полевого транзистора, называют каналом.

Полевой транзистор — полупроводниковый усилительный при­бор, которым управляет не ток (как биполярным транзистором), а напряжение (электрическое поле, отсюда и название— полевой), осуществляющее изменение площади поперечного сечения прово­дящего канала, в результате изменяется выходной ток транзи­стора. Управление же электрическим полем предполагает отсут­ствие статического входного тока, что позволяет уменьшить мощ­ность, требуемую для управления транзистором.

Токопроводящие каналы могут быть приповерхностными (тран­зисторы с изолированным затвором) и объемными (транзисторы с управляющим р-n-переходом). Приповерхностный канал пред­ставляет собой либо обогащенный слой, образующийся за счет донорных примесей в полупроводнике, либо инверсный слой, воз­никающий под действием внешнего поля. Такой полевой транзи­стор имеет классическую структуру металл – диэлектрик – полу­проводник (МДП-структуру), в которой роль диэлектрика, как правило, играет оксид (например, двуокись кремния SiO₂). Поэтому полевой транзистор с такой структурой часто называют МДП- или МОП-транзистором (металл – оксид – полупровод­ник).

Металлический электрод, создающий эффект поля, называют затвором (3), два других электрода — истоком (И) и стоком (С). Исток и сток в принципе обратимы. Истоком служит тот из них, из которого при соответствующей полярности напряжения между истоком и стоком в канал поступают основные носители заряда, а стоком – тот, через который эти носители уходят из канала. В зависимости от того, какой из выводов является общим для входа и выхода, различают три схемы включения полевого транзистора: с общим истоком (ОИ), с общим затвором (О3) и общим стоком (ОС). Наибольшее распространение на практике нашла схема с ОИ.

Принцип работы полевого транзистора. В полевом транзисторе с объемным каналом площадь поперечного сечения канала ме­няется за счет изменения площади обедненного слоя обратно включенного p-n-перехода. На рис. 2 17 показан полевой транзи­стор с управляющим р-n-переходом, включенный по схеме с ОИ. При ее анализе все напряжения будем рассматривать с учетом их знаков. На p-n-переход (затвор – исток) подается обратное напряже­ние Uзи. При его уменьшении глубина d обедненного слоя (за­штрихованная область на рис. 2.17 — область объемного заряда) возрастает, а токопроводящее сечение b канала сужается. При этом

Рис. 2.17. Полевой транзистор с управляющим р-n-переходом

увеличивается сопротивление канала, а следовательно, сни­жается выходной ток Iс транзистора. Поскольку напряжение Uзи прикладывается к p-n-переходу в обратном направлении, ток Iз ничтожно мал и практически не зависит от управляющего напря­жения.

Для полевых транзисторов входная характеристика (зависи­мость Iз от Uзи при фиксированном значении Uси) не имеет практического применения и при расчетах используют только пе­редаточные и выходные ВАХ. На рис. 2.18 приведены выходные и передаточные характеристики полевого транзистора с управ­ляющим p-n-переходом для схемы включения с ОИ. Эти харак­теристики, подобно характеристикам биполярного транзистора, имеют нелинейный характер, а, следовательно, полевой транзистор, как и "биполярный, является управляемым

Р ис 2 18. Статические вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом (схема ОИ); а — выходные, б — передаточные

нелинейным элементом цепи. Однако при сравнении их выходных характеристик очевидны существенные различия.

На начальном участке изменения выходного напряжения полевого транзистора крутизна его ВАХ с изменением входного сигнала не остается постоянной, как в случае биполярного транзистора (см. рис.2.10,б). Как видно из рис. 2.18,а с уменьшением Uзи крутизна ВАХ уменьшается, а следовательно, возрастает выходное сопротивление транзистора. Это указывает на зависимость выходного сопротивления полевого транзистора от управляющего напряжения на этом участке ВАХ.

Изменение выходного тока I_с полевого транзистора при изменении Uси происходит до определенного значения выходного напряжения, равного напряжению насыщения U_синас (проекция на ось абсцисс точки пересечения штриховой кривой ОА с соответствующей ВАХ транзистора). Это напряжение равно U_синас = U_зи—U_зиотс, где U_зиотс — управляющее напряжение, при котором I_с = 0 (режим отсечки), а U_зи —управляющее напряжение, соответствующее рассматриваемой ВАХ транзистора. При дальнейшем возрастании выходного напряжения ток Iс остается неизменным вплоть до пробивного напряжения U_{си проб}. Физику происходящих при этом процессов в полевом транзисторе можно объяснить следующим образом.

Как уже отмечалось, при входном напряжении U_зи =U_зиотс, соответствующем обратному напряжению на р-n-переходе (затвор — исток), при котором токопроводящий канал транзистора будет полностью перекрыт, выходной ток I_с транзистора будет равен нулю (см. рис. 2.18,б). При Uзи>U_ЗИотС в токопроводящем канале появляется проток шириной b и по нему от стока к истоку начинает протекать так Iс, создающий на сопротивлении канала падение напряжения. Это напряжение, складываясь с напряжением Uзи, по мере приближения к стоку, приводит к увеличению напряжения на обратно смещенном р-n-переходе, т. е. к сужению канала при приближении к истоку, как это показано на рис. 2.17. Рост тока Iс приводит к увеличению падения напряжения на канале и к уменьшению его ширины, в результате уменьшается ток Iс, протекающий между стоком и истоком.

Однако уменьшение тока стока приводит к уменьшению падения напряжения на канале и к уменьшению фактического (суммарного) напряжения на обратно смещенном р-n-переходе, что увеличивает ширину b канала, а следовательно, и ток Iс. В результате, в структуре полевого транзистора, приведенного на рис. 2.17, устанавливается динамическое равновесие и при Uси> U_СИнас ток стока поддерживается на уровне насыщения Iснас. Как видно из рис. 2.18, а с уменьшением напряжения Uзи про бивное напряжение транзистора U си проб уменьшается.

Рис 2 19 Структура МДП-транзистора

П ри этом всегда выполняется равенство

Если Uзи =Uзиотс, транзистор заперт (режим отсечки) и Iс = 0. В случае открытого транзистора для любого значения вы­ходного тока Iс будет соблюдаться равенство

где U_ЗИнас —напряжение между стоком и затвором в режиме на­сыщения транзистора.

Из сравнения приведенных на рис. 2.18 ВАХ видно, что поляр­ности управляющего и выходного напряжений полевого транзи­стора с управляющим р-n-переходом не совпадают.

Реальная структура МДП-транзистора с каналом n-типа пока­зана на рис. 2.19. Металлический затвор изолирован от полупро­водниковой подложки слоем диэлектрика (отсюда эквивалентное название МДП-транзистора — полевой транзистор с изолирован­ным затвором). Пусть напряжение на затворе отсутствует, т. е. Uзи =0. Если между стоком и истоком подвести напряжение ука­занной на рис. 2.19 полярности, то при нулевом потенциале на затворе на пути от истока к стоку окажутся два встречно вклю­ченных p-n-перехода. Поэтому токопроводящее сечение канала b будет обладать большим сопротивлением, а выходной ток Iс ока­жется ничтожно мал (примерно равен обратному току р-n-переходов). Если подать на затвор отрицательное напряжение Uзи, то поверхностный слой подложки р-типа, прилегающий к металлизи­рованной пластине затвора, обогатится дырками и значение тока Iс практически не изменится. Если же приложить к затвору неболь­шое положительное напряжение Uзи и постепенно его повышать, то дырки под действием поля, создаваемого положительным на­пряжением затвора, будут уходить из поверхностного слоя в глубь подложки, а электроны — притягиваться, образуя обогащенный электронами поверхностный слой подложки, примыкающий к пластине

Рис 2.20 Передаточные (а) и выходные (б) ВАХ МДП-транзистора с индуцированным каналом

затвора. Количество этих электронов значительно меньше, чем в областях подложки n+-типа, примыкающих к истоку и стоку. Однако этого количества электронов по отношению к основ­ным носителям заряда для р-области становится достаточным (по мере возрастания положительного напряжения на затворе) для образования слоя противоположной проводимости по отношению к подложке р-типа— инверсного слоя (слоя n-типа). Этот инверсный слой и является токопроводящим каналом n-типа, за­мыкающим две другие n+-области подложки, примыкающие к истоку и стоку. Такой канал называется индуцированным, т. е. наведенным полем затвора. Таким образом, индуцированные каналы отсутствуют в равновесном состоянии и образуются под действием внешнего напряжения определенной полярности и определенного значения. Напряжение на затворе, при котором возникает токопроводящий канал, называется пороговым. Если выбрать подложку n-типа, а области истока и стока сделать р⁺-типа, то полу­чится МДП-транзистор с индуцированным р-каналом.

П ередаточные и выходные ВАХ для МДП-транзистора при включении с ОИ приведены на рис. 2.20. При этом выходные ха­рактеристики приведены только для индуцированного канала n-типа. Выходные характеристики МДП-транзисторов с индуциро­ванным каналом р-типа будут расположены в III квадранте, сим­метрично приведенным на рис. 2.20, б. Из переходных характери­стик на рис. 2.20,6, видно, что, во-первых, полярности входного и выходного напряжений всегда совпадают и, во-вторых, увеличе­ние Uзи ведет к увеличению Iс. Исключение составляет только Выходная кривая, соответствующая Uзи1 так как Uзи1≤Uзипор.

Рис 2.21 Передаточные (а) и выходные (б) ВАХ МДП-транзистора со встро­енным n-каналом

В МДП-транзисторах со встроенным каналом у поверхности полупроводника под затвором (при нулевом напряжении на за­творе относительно истока) существует инверсный слой — прово­дящий (встроенный) канал. Этот канал практически реализуют в виде тонкого приповерхностного слоя с помощью ионного легиро­вания. МДП-транзисторы со встроенным каналом могут работать при обеих полярностях напряжения на затворе. Передаточные и выходные ВАХ данного транзистора, включенного по схеме с ОИ, показаны на рис. 2.21.

Из анализа этих характеристик видно, что при отсутствии уп­равляющего напряжения, когда U зи =0, значение выходного тока транзистора Iс отлично от нуля и равно некоторому значению, которое называют начальным током стока –I_с,нач (см. рис. 2.21, а).

При значениях выходного тока Iс<I_с,нач полярности входного и выходного напряжений противоположны, а при Iс>I_с,нач их по­лярности совпадают. При любом значении управляющего напря­жения, большем его значения, соответствующего режиму отсечки (I_с=0, Uзи =Uзиотс), т. е. при |Uзи | > |Uзиотс| выходной ток I_с отличен от нуля и возрастает с возрастанием выходного напряжения, достигая своего предельного значения (граница ре­жима насыщения – показана на рис. 2.20,б и 2.21,б штриховой линией О А) при выходном напряжении

Основными параметрами, характеризующими полевой транзи­стор как нелинейный элемент, являются: коэффициент усиления по напряжению

крутизна (определяется по передаточной характеристике)

дифференциальное выходное (внутреннее R,) сопротивление

дифференциальное сопротивление участка затвор — сток

Э то сопротивление учитывает обратную связь между выходом и входом полевого транзистора.

Входное сопротивление r_вх полевого транзистора очень велико (несколько мегаом), поскольку значение тока затвора Iз очень мало.

Значение параметра R_i определяют при работе транзистора в режиме насыщения как котангенс угла наклона выходной харак­теристики. Так как для полевых транзисторов режиму насыщения соответствует пологая часть выходной характеристики, то в рабо­чей области этот угол мал и, следовательно, внутреннее сопротив­ление оказывается достаточно большим (сотни килоом).

Крутизна s передаточной характеристики отражает степень влияния входного напряжения на выходной ток, т. е. эффектив­ность управляющего действия затвора, и составляет 1 ... 5 мА/В. Первые три параметра связаны соотношением μ=sR_i.

Условные обозначения полевых транзисторов приведены на рис. 2.6, 10... 15.

Температурная зависимость характеристик полевых транзисто­ров. Ранее было отмечено, что усилительные свойства полевых транзисторов (ПТ) связаны с процессом перемещения основных для полупроводника носителей заряда, т. е. ток ПТ определяется концентрацией основных носителей. Однако известно, что кон­центрация основных носителей в полупроводнике почти не зависит от температуры. Поэтому и свойства ПТ слабо изменяются с изме­нением температуры.

Основными параметрами ПТ, зависящими от температуры, являются: напряжение отсечки и пороговое напряжение.

На рис. 2.22 приведены переходные характеристики ПТ с управляющим р-n-переходом и изолированным затвором. Из приве­денных характеристик следует, что для любого типа ПТ суще­ствует такое значение тока стока (соответствующее точке Н на рис. 2.22), при котором его величина не зависит от температуры.

Это объясняется действием в этом приборе двух противополож­ных механизмов. Так, для полевого транзистора с управляющим р-n-переходом при повышении температуры окружающей среды растет собственное сопротивление полупроводникового материала, что приводит как к непосредственному уменьшению тока стока, так и к дополнительному подзапиранию р-n-перехода из-за нали­чия составляющей падения напряжения на канале. Указанные

Р ис. 2.22. Зависимость передаточных характеристик полевого транзистора от температуры

причины при увеличении температуры ведут к уменьшении) тока стока. Этот эффект особенно сильно проявляется при больших токах стока. Однако увеличение температуры ведет к уменьшению толщины p-n-перехода, что расширяет канал. Последнее вызывает увеличение тока стока, что особенно заметно при малых его зна­чениях. Поэтому при некоторых значениях тока стока оба фактора компенсируют друг друга и величина тока стока не зависит от из­менения температуры.

Для МДП-транзистора с увеличением температуры также ха­рактерно уменьшение тока стока, что объясняется ростом соб­ственного сопротивления полупроводника. В то же время увели­чение температуры ведет к увеличению числа пар электрон – дырка в канале, т. е. к увеличению концентрации, носителей заряда. Естественно, это вызывает рост тока стока, особенно при небольших его собственных значениях. Следовательно, и в МДП-транзисторе существуют две противоположные тенденции, степень проявления которых зависит от, абсолютной величины тока стока. Следствием этого является наличие на передаточной характери­стике прибора точки Н, для которой ток стока не зависит от изме­нения температуры окружающей среды.

В ажно отметить еще одну особенность ПТ. В режиме больших токов стока повышение температуры окружающей среды приводит к уменьшению тока /с, т. е. в приборе отсутствует положительная обратная связь по температуре, присущая биполярным транзисто­рам. Увеличение температуры автоматически приводит к сниже­нию мощности, рассеивающейся в ПТ. Таким образом, ПТ менее склонны к тепловому пробою, чем биполярные.

Рис. 2.23. Эквивалентные схемы полевого транзистора с управляющим р-п-переходом (а) и изолированным затвором (б)

Эквивалентные схемы полевых транзисторов. Рассмотрим наиболее распространенные схемы замещения полевых транзисторов. На рис. 2.23,а приведена схема замещения ПТ с управляющим р-n-переходом, а на рис. 2.23,б — с изолированным затвором. В этих схемах принято, что вывод подложки электрически соединен с истоком. Такое включение наиболее часто используется при разработке схем на ПТ.

Следует отметить, что входное и выходное сопротивления ПТ носят явно выраженный емкостный характер. Активная составляющая входного тока для ПТ управляющим p-n-переходом обусловлена током обратно смещенного р-n-перехода и весьма мала.

Отличительные особенности полевого транзистора. Из принципа действия полевого транзистора вытекают две основные его особенности: в установившемся режиме работы входной ток полевого транзистора стремится к нулю (т. е. r_вх →∞); инерционность полевого транзистора в отличие от биполярного обусловлена только процессами перезаряда его входной и выходной емкостей. Казалось бы, что отсутствие процессов изменения объемного заряда неосновных носителей дает преимущество полевому транзистору в быстродействии перед биполярным транзистором. Однако следует отметить, что конструкция полевого транзистора предполагает получение больших значений его входных и выходных емкостей. Последнее с увеличением частоты входного сигнала приводит к фактическому падению коэффициента усиления кас-када на полевом транзисторе. Действительно, по постоянному току коэффициент усиления полевых транзисторов стремится к бесконечности (входной ток стремится к нулю). При увеличении частоты входного сигнала входной ток полевого транзистора, определяе­мый его входной емкостью, растет, что эквивалентно снижению значения коэффициента усиления. Поэтому принято считать, что в общем случае по быстродействию, усилению и частотным свойствам полевой транзистор, как правило, не имеет преимуществ перед биполярным транзистором.

Однако разработка полевого транзистора с так называемым коротким каналом позволила создать полупроводниковый вы­сокочастотный транзистор сравнительно большей мощности (50...100 Вт), не осуществленный в настоящее время в биполярном варианте.

Полевые транзисторы имеют преимущество перед биполярными транзисторами в большей температурной стабильности их харак­теристик. Это объясняется тем, что основная температурная неста­бильность характеристик биполярного транзистора обусловлена сильной зависимостью количества неосновных носителей заряда в полупроводнике. Учитывая, что полевой транзистор работает с использованием только основных носителей зарядов, которые в меньшей степени подвержены температурному влиянию, в нем от­сутствует положительная обратная связь по температуре, прису­щая биполярным транзисторам.

Основными преимуществами полевого транзистора являются его большое входное сопротивление по постоянному току и высо­кая технологичность. Последнее обусловливает широкое примене­ние полевых транзисторов при разработке цифровых интегральных схем.

Дискретные полевые транзисторы, выпускаемые отечественной промышленностью, классифицируют по мощности и частоте анало­гично биполярным.