Полевые транзисторы

Полевой транзистор с управляющим электронно-дырочным переходом имеет 2 невыпрямляющих контакта к области полупроводника, через которую проходит ток и один (либо два) управляющих электронно-дырочных перехода, смещенных в обратном направлении.

Изменением обратного напряжения на переходе управляют шириной перехода, тем самым изменяется толщина слоя полупроводника, по которому протекает ток.

• Область полупроводника, по которой протекает ток основных носителей, называется каналом.

• Электрод, из которого основные носители входят в канал, называется истоком.

• Электрод, через который основные носители уходят из канала, называется стоком.

• Электрод, служащий для управления толщиной канала, называется затвором.

Различают два типа полевых транзисторов:

• Полевые транзисторы с управляющими переходами: В данном транзисторе затвор в электрическом отношении отделен от каналапереходом, смещенном в обратном направлении.

• Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП транзисторы). В этом транзисторе затвор в электрическом отношении отделен от канала слоем диэлектрика. МДП транзисторы – четырех электродные приборы, четвертым электродом –подложкой– является кристалл полупроводника, на основе которого выполнен весь прибор.

Канал в полевых транзисторах может иметь проводимость -типа и-типа. Однако при использовании канала-типа будут худшие частотные свойства, хуже стабильность параметров и выше уровень шумов по сравнению с каналом-типа.

Устройство и графическое изображение различных полевых транзисторов на основе кристалла полупроводника -типа приведено на рисунках.

Транзистор с управляющим переходом	МДП транзистор с индуцированным каналом	МДП транзистор со встроенным каналом

Ток в полевых транзисторах обусловлен движением в канале только основных носителей заряда (это дрейф основных носителей заряда под действием электрического поля). Управляющее поле создается обратным напряжением на управляющем переходе или на затворе в МДП транзисторах. Токи в цепи управления (в затворе) имеют малую величину , и, следовательно, входное дифференциальное сопротивление цепи управления велико.

С точки зрения проводимости и входных токов и сопротивления, полевые транзисторы близки к электронным лампам. Поэтому, как и в лампах, усилительные свойства полевых транзисторов принято характеризовать крутизной характеристики, определяющей зависимость выходного тока (тока стока) от напряжения, приложенного ко входной цепи ( цепи затвора).

Принцип действия полевого транзистора с управляющим переходом.

Графическое изображение транзистора и его включение по схеме с общим истоком приведено на рисунке.

Из рисунка видно, что электрическое сопротивление канала между истоком и стоком зависит от толщины канала. Толщина канала может уменьшаться за счет изменения ширины перехода. Ширинаперехода зависит от приложенного к нему обратного напряжения, то есть изменяется при изменении отрицательного напряжения затвор-исток.

Следовательно, изменяя напряжение затвор-исток, можно управлять электрическим сопротивлением канала.

При подаче положительного напряжения между стоком и истоком под действием электрического поля возникает дрейф основных носителей зарядов в канале-типа от стока к истоку.

В результате приложения положительного напряжения между стоком и истоком изменяется электрическое поле в теле полупроводника, что приводит к изменению конфигурации перехода –будет наблюдаться вытягивание запирающего слоя по направлению к стоку.

Объясняется данный процесс следующим образом. Если не учитывать сопротивление канала, можно считать, что потенциал у стока соответствует напряжению . Тогда дляперехода потенциал на переходе у стока будет определяться величинойи тем самым увеличивается потенциальный барьер на переходе и его ширина. В тоже самое время потенциал у истока остается неизменным и определяется напряжением.

Приложение положительного напряжения вызывает не только протекание тока стокапо каналу, но и изменение конфигурации самого канала. Значение тока стока определяется сопротивлением канала.

Ток затвора обусловлен движением неосновных носителей зарядов через обратно смещенный электронно-дырочный переход. Ввиду незначительной концентрации неосновных носителей заряда ток затворамал.

Током стока можно управлять напряжением затвор-исток. При некотором значении напряженияширина перехода может возрасти до такой величины, что весь канал будет перекрыт. При этом ток стока будет равен нулю и транзистор запирается.

Напряжение , при котором транзистор запирается, называется напряжением отсечки.

Как отмечалось выше, увеличение ширины электронно-дырочного перехода также происходит и при возрастании напряжения сток-исток . Можно предположить, что при этом также возможно полное запирание канала.

Практически полного запирания канала не наблюдается, то есть в цепи стока протекает некоторый ток. Это связано с тем, что возрастание напряжения сток-исток приводит к вытягиванию запирающего слоя в направлении стока и при этом всегда остается некоторая конечная толщина канала.

Выходные вольт-амперные характеристики полевого транзистора определяют зависимость тока стока от напряжения на стокепри фиксированном напряжении затвора:

Типичное семейство выходных статических характеристик полевого транзистора с управляющим переходом и-каналом приведено на рис. . На рис. приведены статические характеристики передачи полевого транзистора с управляющимпереходом и-каналом.

Рис.

Рис.

Выходные статические характеристики полевого транзистора с управляющим электронно-дырочным переходом (рис. ) имеют два характерных участка:

• начальный участок –крутая зависимость тока стока от напряжения сток-исток;

• пологий участок –ток стока практически не зависит от напряжения сток- исток.

При фиксированном значении напряжения проводящий канал имеет определенное сопротивление, зависящее от его длины и поперечного сечения. Поэтому при начальном увеличении напряжениясопротивление остается практически постоянным и ток на выходе возрастает пропорционально напряжению. Однако по мере роста напряженияк управляющему электронно-дырочному переходу прикладывается все большее обратное напряжение (в области стока), что приводит к уменьшению площади поперечного сечения канала, и как следствие, его сопротивления.

При некотором значении напряжения сток-исток, получившим название напряжения насыщения -происходит полное перекрытие канала и в дальнейшем не наблюдается роста стока при увеличении напряжения.

Очевидно, что наибольшее значение тока стока будет при нулевом напряжении затвор-исток. Чем больше абсолютное значение напряжения затвор-исток тем меньше начальное поперечное сечение канала, и, следовательно, выше его сопротивление.

При больших значениях напряжения сток-исток может возникнуть электрический пробой обратно смещенного перехода затвор-исток. Пробой электронно-дырочных переходов кремниевых полевых транзисторов носит лавинный характер.

Статические характеристики передачи (рис. ) представляют зависимость тока насыщения стока от напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке.

Основным рабочим режимом полевых транзисторов с управляющим переходом являетсярежим насыщения тока стока.

Статические характеристики передачи дают возможность определить один из основных параметров транзистора, характеризующий его усилительные свойства - крутизну характеристики , представляющую отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе.

Для полевых транзисторов с управляющим переходом характерно то, что их максимальная проводимость наблюдается при нулевом смещении на затворе. С ростом смещения (по абсолютной величине) проводимость канала уменьшается. Смещение для полевых транзисторов управляющимпереходом имееттолькоодну полярность, которая соответствует отсутствию инжекции основных носителей через переход.

Для полевых транзисторов с изолированным затвором характерно наличие диэлектрического слоя между металлическим электродом затвора и материалом полупроводника.

Наличие диэлектрика снимает ограничение на полярность управляющего напряжения - оно может быть как положительным, так и отрицательным.