5. Полевые транзисторы

Полевым транзисторомназывается полупроводниковый усилительный прибор, сопротивление которого может изменяться под действием электрического поля. Изменение сопротивления достигается изменением удельного электрического сопротивления слоя полупроводника или изменением объема полупроводника, по которому проходит электрический ток.

В работе полевых транзисторов используются различные эффекты, такие, как изменение объема р-п-перехода при изменении действующего на нем запирающего напряжения; эффекты обеднения, обогащения носителями зарядов или инверсии типа проводимости в приповерхностном слое полупроводника. Полевые транзисторы иногда называют униполярными, потому что ток, протекающий через них, обусловлен носителями только одного знака. Полевые транзисторы еще называют канальными транзисторами, поскольку управляющее работой транзистора электрическое поле проникает в полупроводник относительно неглубоко, и все процессы протекают в тонком слое, называемом каналом.

Управляющая цепь полевого транзистора практически не потребляет ток и мощность. Это позволяет усиливать сигналы от источников, обладающих очень большим внутренним сопротивлением и малой мощностью. Кроме того, это дает возможность размещать сотни тысяч транзисторов на одном кристалле микросхемы.

Полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом

Рис. 5.1. Структурные схемы полевых транзисторов с

управляющим р-п-переходом с п‑ и р-каналами и их

условные графические обозначения.

Полевой транзистор может быть изготовлен в виде пластинки полупроводника (с п- или р-проводимостью), в одну из поверхностей которой вплавлен слой металла, называемый затвором, образующий плоский р-п-переход (рис. 5.1). К нижнему и верхнему торцам пластинки присоединяются выводы, называемые соответственно истоком и стоком. Если на затвор подается напряжение запирающей полярности (положительное на п-затвор и отрицательное на р-затвор), то в зависимости от его значения в канале (р-п-переходе) возникает обедненный носителями заряда слой, являющийся практически изолятором.

Изменяя напряжение на затворе от нуля до некоторого достаточно большого напряжения, называемого напряжением отсечки (напряжением запирания, или пороговым напряжением, см. рис. 5.6), можно так расширить объем полупроводника, занимаемого р-п-переходом, что он займет весь канал и перемещение носителей заряда между истоком и стоком станет невозможным. Транзистор полностью закроется (рис. 5.2).

В отличие от биполярных транзисторов, управляемых током, полевые транзисторы управляются напряжением, и, поскольку это напряжение приложено к управляющему р-п-переходу в обратной (запирающей) полярности, то ток в цепи управления практически не протекает (при напряжении 5 В ток управления не превышает 10^-10 А).

Полевые транзисторы с изолированным затвором

полевые транзисторы с индуцированным каналом

Рис. 5.3. Устройство и условные обозначения МОП-транзисторов с индуцированным каналом.

На рис. 5.3 показано устройство полевого транзистора с изолированным затвором, называемого МДП-транзистором. Это название обусловлено конструкцией: затвор выполнен из металла (М) и отделен тонким слоем диэлектрика (Д) от полупроводника (П), из которого сделан транзистор. Если транзистор изготовлен из кремния, то в качестве диэлектрика используется тонкая пленка оксида кремния. В этом случае на­звание изменяется на МОП-транзистор (металл-оксид-полупроводник).

Показанный на рис. 5.3 слева транзистор изготовлен на основе пластинки (подложки, или основания) из кремния с р-проводимостью. На поверхности пластинки диффузионным способом получены две области с п-проводимостью (исток и сток), разделенные областью п-канала, имеющей преобладающую р-проводимость. Вследствие этого при подаче на транзистор напряжения ток между истоком и стоком протекать не будет, ибо переходы сток-основание и исток-основание образуют два встречно включенных р‑п‑перехода, один из которых будет закрыт при любой полярности приложенного напряжения.

Однако, если на поверхностный слой р-полупроводника подействовать достаточно сильным электрическим полем, приложив между затвором и основанием напряжение положительной полярности, то между истоком и стоком начнет протекать ток. Это объясняется тем, что из приповерхностного слоя полупроводника, расположенного под затвором, электрическим полем будут оттесняться дырки и собираться электроны, образуя канал (с п-проводимостью, показанный на рис. 5.3 пунктирной линией), вследствие чего р‑п‑переходы исток-канал и канал-исток перестанут существовать. Проводимость п‑канала будет тем больше, чем больше напряжение, приложенное между затвором и основанием.

Транзистор рассмотренной конструкции называется МДП-транзистором с индуцированным каналом.

Основание обычно соединяется с истоком, но иногда напряжение на него подается отдельно, и тогда основание играет роль дополнительного затвора.

Если основание выполнено из п-кремния, исток и сток образованы сильно легированными областями с р‑проводимостями, а в качестве изолятора используется оксид кремния, то получается МОП-транзистор с индуцированным р‑каналом (с проводимостью р) (рис. 5.3 справа).

полевые транзисторы со встроенным каналом

МОП-транзисторы могут быть выполнены со встроенным каналом. Например, на рис. 5.4 слева приведена схема устройства такого транзистора с п-каналом. Основание выполнено из р-кремния, а исток и сток имеют п-проводимость и получены диффузионным способом. Исток и сток соединены сравнительно тонким каналом с незначительной р‑проводимостью.

Если основание сделано из п-кремния, а исток и сток - из р-кремния, то транзистор имеет встроенный р-канал (рис. 5.4 справа).

Рис. 5.4. Устройство и условные обозначения МОП-транзисторов со встроенным каналом.

Работу п-канального МОП-транзистора можно пояснить так. Если на затвор подано отрицательное (относительно основания) напряжение, то электроны проводимости вытесняются из п-канала в основание, и проводимость канала уменьшается, вплоть до полного обеднения и запирания канала.

При подаче на затвор положительного напряжения п-канал обогащается электронами, и проводимость его увеличивается (рис.5.6).

Классификация и характеристики полевых транзисторов

Рис. 5.5. Классификация полевых транзисторов.

Рис. 5.6. Зависимость тока стока

от напряжения затвор-исток для

п-канальных транзисторов

при постоянном напряжении

сток-исток.

Полевые транзисторы бывают обедненного и обогащенного типа. К первым относятся все транзисторы с р‑п-переходом и п-канальные МОП-транзисторы обедненного типа. МОП-транзисторы обогащенного типа бывают как п-канальными, так и р-канальными (рис. 5.5).

Транзисторы обогащенного и обедненного типа отличаются только значением так называемого порогового напряжения, получаемого экстраполяцией прямолинейного участка характеристики (рис. 5.6.).

Выходными характеристиками полевого транзистора называются зависимости тока стока от напряжения сток-исток для различных значений напряжения затвор-исток.

Рис. 5.7. Выходные характеристики полевых транзисторов.

Полевой транзистор является очень хорошим прибором с точки зрения выходной проводимости - при постоянном напряжении затвор-исток ток стока почти не зависит от напряжения (за исключением области малых напряжений сток-исток). На рис. 5.7 показаны типичные зависимости i_с от u_си для ряда значений u_зи.