Тема 5. Полевые транзисторы

Полевыми (униполярными) транзисторами называются полупроводниковые приборы, в которых электрический ток создается основными носителями заряда под действием продольного электрического поля, а управление током (модуляция) осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемым на управляющем электроде.

Область полупроводникового прибора, по которой протекает управляемый ток, называется каналом. Электрод, через который носители заряда втекают в канал, называется истоком, а электрод, через который они вытекают из канала, называется стоком. Электрод, используемый для управления площадью поперечного сечения канала (током канала), называется затвором. Затвор должен быть электрически изолирован от канала. В зависимости от способа изоляции различают: ПТ с управляющим p-n-переходом; ПТ с изолированным затвором или транзисторы металл – диэлектрик – полупроводник (МДП-транзисторы). В настоящее время широко применяются полевые транзисторы с барьером Шотки (ПТШ), в которых в качестве управляющего перехода используется барьер Шотки. Полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов, использующие свойства гетероперехода, работают в диапазоне СВЧ.

Структура полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа приведена на рис.5.1. На подложке из p-кремния создается тонкий слой полупроводника n-типа, выполняющий функции канала, т.е. токопроводящей области, сопротивление которой регулируется электрическим полем..

Рис.5.1. Устройство ПТ с управляющим p-n-переходом

Нижний p-n-переход изолирует канал от подложки и задает начальную толщину канала. Обычно выводы истока и подложки соединяют. Принцип действия ПТ с управляющим p-n-переходом основан на увеличении сопротивления активного слоя (канала) путем расширения p-n-перехода при подаче на него обратного напряжения. Для эффективного управления сопротивлением канала полупроводник, образующий область затвора легирован сильнее (p+), чем области канала (n), при этом расширение обедненного слоя происходит в сторону канала. Наиболее характерной чертой полевых транзисторов является высокое входное сопротивление, т.к. ток затвора мал, поэтому они управляются напряжением. слоями.

Рис.5.2. ПТ с управляющим р-п- переходом при U_зи = U_отс.

При сопротивление канала минимально , где – удельное сопротивление полупроводника канала; l, w – длина и ширина канала соответственно, h – расстояние между металлургическими границами n-слоя канала. Чем больше обратное напряжение на затворе , тем шире p-n-переходы, тоньше канал и выше его сопротивление. При некотором напряжении на затворе, называемом напряжением отсечки , канал полностью перекрывается обедненными Сопротивление канала становится очень большим и реально достигает значений десятки – сотни мегаом.

При подаче на сток положительного напряжения в канале возникает ток , и напряжение в любом сечении канала , измеренное относительно истока, является функцией расстояния до истока за счет конечного значения удельного сопротивления канала. Поэтому и напряжение между любым сечением канала и затвором является функцией расстояния до истока – . Минимальным является напряжение при , а максимальным при . Причем для управляющего перехода эти напряжения являются запирающими, поэтому ширина перехода возрастает от истока к стоку, а ширина канала уменьшается. При некотором напряжении сток – исток, называемом напряжением насыщения , канал вблизи стока сужается до минимальной толщины (см. рис. 5.2.). Сопротивление канала при этом больше начального . Под действием напряжения насыщения через канал протекает ток максимальной величины .

Вольт амперные характеристики ВАХ ПТ: выходные (стоковые) – и характеристики передачи (cток-затворные) – приведены на рис.5.2ссссссссссссссссссссссссссссссссссс .

а) б)

Рис.5.3. Вольт амперные характеристики ПТ: а) выходные (стоковые) –и б) характеристики передачи (cток-затворные) –

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы). У полевых транзисторов с изолированным затвором между металлическим затвором и областью полупроводника находится слой диэлектрика – двуокись кремния SiO₂. Это отражено и в их названии. Полевые транзисторы с изолированным затвором называются МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП (металл-окисел-полупроводник). Существуют МДП-транзисторы с индуцированным и встроенным каналом.

В основе действия МДП-транзистора лежит эффект поля, представляющий собой изменение величины и типа электропроводности полупроводника вблизи его границы с диэлектриком под действием приложенного напряжения. Рассмотрим МДП-структуру, изображенную на рис. 5.4.. и содержащую подложку с проводимостью p-типа.

.

Рис.5.4. МДП транзистор с индуцированным каналом.

В МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа (см. рис. 2.25.) при напряжении на затворе канал отсутствует и при подаче ток стока будет равен нулю. Механизм образования канала состоит в том, что при подаче на затвор положительного напряжения дырки переносятся полем с поверхности в глубь полупроводника и в области под затвором образуется слой с уменьшенной их концентрацией

При некотором напряжении напряжения затовора, называемом пороговым , у поверхности полупроводника р-типа концентрация электронов превышает концентрацию дырок, т.е. появляется тонкий слой полупроводника с электропроводностью n-типа и происходит инверсия электропроводности полупроводника. Изменяя напряжения на затворе, можно изменять концентрацию электронов в канале, а значит, и его сопротивление. Если увеличивать положительное напряжение на затворе, концентрация электронов в канале увеличивается, то есть происходит обогащение канала электронами. На рис 2.26. показаны основные ВАХ ПТ: выходные (стоковые) – и характеристики управления (передачи) (cток-затворные) – . Поведение характеристик полностью соответствует физике процессов формирования тока в канале.

В справочниках обычно в качестве порогового приводится значение , при

котором ток стока . При в МДП-транзисторах с каналом n-типа увеличение напряжения на затворе приводит к уменьшению сопротивления канала за счет обогащения его электронами, ток стока при этом увеличивается .

Рис 5.5. ВАХ МДП транзистора с индуцированным каналом

В МДП-транзисторе со встроенным каналом n-типа, структура которого приведена на рис.5.4., уже при отсутствии внешних напряжений имеется канал, соединяющий области истока и стока. Поэтому при и протекает ток стока. При увеличении положительного напряжения на затворе область канала обогащается электронами и ток стока возрастает.

Рис. 5.6 МДП транзистор со встроенным каналом.

При увеличении отрицательного напряжения на затворе канал обедняется, (режим обеднения) и ток стока уменьшается. На рис. 2.28. показаны статические характеристики транзистора со встроенным каналом.

Рис 5.7. Статические характеристики МДП транзистора со встроенным каналом.

Полевые транзисторы включаются по схемам с общим затвором (ОЗ) (рис. 5.8 а), общим истоком (ОИ) (рис.5.8а, б), общим стоком (ОС) (рис. 5.8, в). Наиболее часто используется схема включения с ОИ.

Рис 5.8. схемы включения полевых транзисторов

Дифференциальные параметры полевых транзисторов. Основными дифференциальными параметрами полевых транзисторов являются: крутизна ; внутреннее (дифференциальное) сопротивление ; коэффициент усиления по напряжению

.

Все три параметра связаны выражением . Пример определения параметров транзисторов по статическим характеристикам показан на рис.5.9.

Рис.5.9. определение параметров полевых транзисторов

Для рабочей точки А (U'_си, I'_с, U'_зи) крутизна и дифференциальное сопротивление определяются следующими выражениями:

; (5.1)

. (5.2)

В настоящее время широкое распространение получили ПТШ, выполненные из арсенида галлия и работающие на частотах до 30 ГГц, которые используются в малошумящих усилителях СВЧ, усилителях мощности и генераторах.