Тема 5. Полевые транзисторы

Полевые (униполярные) транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, ток в которых обусловлен дрейфом основных носителей заряда под действием продольного электрического поля. Управление током в таком приборе осуществляется за счет изменения проводимости полупроводника с помощью поперечного электрического поля (отсюда название – полевые транзисторы).

В отличие от биполярных транзисторов, в которых физические процессы переноса зарядов обусловлены как основными, так и неосновными носителями, в полевом транзисторе управляемый ток обусловлен движением основных для данного типа полупроводника носителей заряда. Именно этим явлением объясняется второе название транзистора – униполярный.

В настоящее время получили применение две основные разновидности полевых транзисторов: транзисторы с управляющим p-n-переходом и транзисторы с изолированным затвором (МДП- или МОП-транзисторы). Схемные обозначения и графики вольт-амперных характеристик сведены в таблицу и приведены на рис. 22.

Рис. 22. Схемные обозначения и проходные вольт-амперные характеристики полевых транзисторов

На рис. 23 приведена упрощенная структура полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. В исходную пластину полупроводника n-типа на противоположных сторонах методом сплавления (или диффузии) вводятся акцепторные примеси таким образом, чтобы образовались области p-типа. Между областями с противоположными типами проводимости образуется p-n-переход. Область n-типа, заключенная между двумя p-n-переходами, образует проводящий канал. Область, от которой начинают движение основные носители в канале, называется истоком И. Область, к которой движутся основные носители, называется стоком С. Области p-типа, используемые для управления током в канале, образуют затвор З. Между затвором и истоком подается напряжение такой полярности, чтобы оно создавало обратное смещение p-n-перехода, а напряжение между стоком и истоком имеет такую полярность, чтобы основные носители двигались от истока к стоку.

При увеличении обратного смещения на p-n-переходе область обедненного слоя расширяется и распространяется в область полупроводника n-типа, поскольку для основных носителей в слоях всегда соблюдается условие . Так как в обедненном слое практически отсутствуют свободные носители заряда, то электрический ток может быть только в проводящем канале, расположенном между обедненными слоями. Изменяя напряжение , можно изменять поперечное сечение проводящего канала, его проводимость и управлять током транзистора. Другими словами, полевой транзистор можно рассматривать как управляемый резистор.

Сткозатворные (проходные) и стоковые (выходные) характеристики транзистора с управляющим p-n-переходом приведены на рис. 24, а и б.

а)	б)
Рис. 24. Сткозатворные (а) и стоковые (б) характеристики транзистора с управляющим p-n-переходом

Рассмотрим стокозатворные характеристики. Если напряжение на затворе достаточно велико, то происходит смыкание обедненных областей и ток транзистора становится равным нулю. Напряжение , при котором происходит перекрытие канала, называется напряжением отсечки . При нулевом напряжении на затворе ток транзистора максимальный – ток насыщения стока на рис. 24, а. Изменяя управляющее напряжение в пределах , можно в широких пределах изменять ток стока .

Стоковые характеристики имеют ярко выраженные крутой (область I) и пологий (область II) участки, III – область пробоя. Усилительному режиму транзистора соответствует пологий участок, на котором ток стока практически не зависит от напряжения . Последнее объясняется тем, что ток стока вызывает падение напряжения в самом канале, которое создает дополнительное обратное смещение на управляющем p-n-переходе, в результате чего проводимость канала уменьшается. Имеет место эффект модуляции проводимости канала (эффект самовыравнивания канального тока) за счет внутренней отрицательной обратной связи – с ростом напряжения наблюдается увеличение напряжения и ток стока снижается. Выходные характеристики имеют некоторый наклон в основном за счет токов утечки.

Полевые транзисторы с изолированным затвором (или МДП-транзисторы) имеют структуру металл-диэлектрик-полупроводник (представлена на рис. 25). МДП-транзисторы могут изготавливаться либо на полупроводниковой, либо на диэлектрической подложке. В рассматриваемом случае подложкой служит кремний n-типа. Путем окисления кремния на поверхности подложки образуется тонкий изолирующий слой диэлектрика из диоксида кремния SiO₂. По этой причине МДП-транзисторы часто называют МОП-транзисторами (металл-оксид-полупроводник). Через специальные отверстия в диэлектрике методом диффузии в подложке создаются две области p-типа. Межу областями p и n образуются два электронно-дырочных перехода. Одна из p-областей используется в качестве стока, а другая – в качестве истока. Подложку (ее вывод) обычно соединяют с истоком. Полярности приложенных напряжений при нормальном включении транзистора показаны на рис. 25.

При подаче на затвор отрицательного смещения электроны, находящиеся в подложке на границе с диэлектриком, вытесняются вглубь полупроводника и в поверхностном слое подложки образуется проводящий канал p-типа (дырки p притягиваются электрическим полем). От подложки канал отделен изолирующим p-n-переходом (обедненным слоем), смещенным в обратном направлении. Следует отметить, что канал индуцируется только при некотором пороговом значении напряжения . Увеличение напряжения на затворе приводит к увеличению концентрации подвижных носителей (дырок) в канале и ток стока возрастает. В результате стокозатворная ВАХ МДП-транзистора с индуцированным каналом будет иметь вид, показанный на рис. 26 (кривая 1).

Помимо МДП-транзисторов с индуцированным каналом изготавливаются МДП-транзисторы со встроенным каналом, у которых ток стока не равен нулю при нулевом напряжении на затворе (рис. 26, кривая 2). При подаче на затвор транзистора с каналом p-типа отрицательного смещения возрастает концентрация дырок в канале (режим обогащения) и ток стока увеличивается. При положительном смещении на затворе (режим обеднения) ток уменьшается и при напряжении отсечки становится равным нулю.

Рис. 26. Стокозатворные характеристики МДП-транзисторов с индуцированным (1) и встроенным (2) каналами

Таким образом, управляющее напряжение МДП-транзисторов со встроенным каналом может быть как положительным, так и отрицательным, поскольку в этих транзисторах проводящий канал существует уже при .

Стоковые характеристики МДП-транзисторов по виду подобны аналогичным характеристикам транзисторов с управляющим p-n-переходом.

В отличие от биполярного транзистора полевой транзистор управляется напряжением и характеризуется аналогично электронной лампе следующими дифференциальными параметрами:

крутизной характеристики

;

внутренним (выходным) сопротивлением

;

коэффициентом усиления

;

входным сопротивлением

Ток затвора для транзистора с управляющим p-n-переходом определяется обратной ветвью ВАХ p-n-перехода, смещенного в обратном направлении. Сопротивление таких транзисторов составляет 10⁶-10⁹ Ом. Для МДП-транзисторов входное сопротивление определяется сопротивлением слоя диэлектрика и может достигать 10⁹-10¹⁴ Ом.

Полевые транзисторы подвержены влиянию температуры в меньшей степени, чем биполярные, так как в процессе переноса зарядов неосновные носители не участвуют. Аналогично биполярным транзисторам полевые могут включаться тремя различными способами: по схеме с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ). Схема с ОЗ самостоятельного применения не имеет и используется в качестве составной части более сложных каскадов. Полевые транзисторы очень чувствительны к электростатическому пробою, поэтому необходимо применять специальные защитные меры при эксплуатации этих приборов.