Конструкция полевых транзисторов с управляющим переходом

Полевой транзистор (ПТ) с управляющим переходом теоретически был рассчитан Уильямом Шокли в 1952 году. Одна из разновидностей таких транзисторов – унитрон – представляет собой полупроводниковую пластину дырочного или электронного типов проводимостей. На её торцы наносят токопроводящие плёнки, к которым подключают выводы стока и истока, а широкие грани легируют для получения противоположного типа проводимости относительно проводимости пластины и подсоединяют к этим граням вывод затвора. Другая разновидность полевых транзисторов с управляющим переходом – текнетрон – может быть образован, например, стержнем из германия, к торцам которого подсоединяют выводы истока и стока, а вокруг стержня внесением индия выполняют кольцеобразный затвор – рис. 5.1, 5.2.

Упрощённая схема конструкции полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа проводимости – на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Конструкция ПТ (FET) с управляющим переходом и каналом p-типа

Из рисунка видно, что канал возникает между двумя p-n-переходами. Конструкция компонентов с каналом n-типа не имеет отличий от конструкции полевых транзисторов с каналом p-типа – рис. 5.1, 5.2.

Рис. 5.2. Конструкция ПТ (FET) с управляющим переходом и каналом n-типа

Но в полевых транзисторах с каналом n-типа полупроводник, в котором возникает канал, обладает электронным типом проводимости, а области затвора имеют дырочную проводимость. Полевые транзисторы с каналом n-типа могут обладать лучшими частотными и температурными свойствами и с мѐньшими шумами, чем приборы с каналом p-типа.

5.2.2. Принцип действия ПТ с управляющим переходом(JFET)

Принцип действия полевых транзисторов с управляющим переходом – изменение площади сечения канала под воздействием поля, возникающего при подаче напряжения между затвором и истоком.

Упрощённая структура полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа – на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Структура транзистора с управляющим переходом (JFET), каналом p-типа

Пока между затвором и истоком не подано напряжение управления, под воздействием внутреннего поля электронно-дырочных переходов они заперты, сечение канала наиболее велико, его сопротивление низко, и ток стока транзистора максимален. Напряжение затвор-исток, при котором ток стока наиболее велик, называют напряжением насыщения.

Если между затвором и истоком приложить небольшое напряжение, ещё немного закрывающее p-n переходы, то зоны, к которым подсоединён затвор, будут обеднены носителями заряда, размеры этих зон объёмного заряда возрастут, частично перекрывая сечение канала, сопротивление канала возрастёт, и сила тока стока станет меньше. Обеднённые носителями заряда области почти не проводят электрический ток, причём эти области неравномерны по длине пластины полупроводника. Так, у торца пластинки, к которому подключен вывод стока, обеднённые носителями заряда области будут наиболее существенно перекрывать канал, а у противоположного торца, к которому подсоединён вывод истока, снижение площади сечения канала будет наименьшим.


Поток электронов n-канал сильно сужается вследствие небольших изменений U_зи

Если приложить ещё бо́льшее напряжение между затвором и истоком, то области, обеднённые носителями заряда, станут столь велики, что сечение канала может быть полностью перекрыто. При этом сопротивление канала будет наибо́льшим, а ток стока будет практически отсутствовать. Напряжение затвор-исток, соответствующее такому случаю, именуют напряжением отсечки.

Важнейшие характеристики полевых транзисторов: стоково-затворная характеристика и семейство стоковых характеристик. Стоково-затворная характеристика отражает зависимость силы тока стока от приложенного к выводам затвор-исток напряжения при фиксированном напряжении сток-исток – рис. 5.4.

U_ЗИ, В

Рис. 5.4. Стоково-затворные характеристики JFET

На рис. 5.4 – стоково-затворные характеристики транзисторов с управляющим переходом и каналами p-типа и n-типа проводимостей.

Семейство стоковых характеристик – зависимости токов стока от напряжений сток-исток I_C(U_СИ) при фиксированных стабильных напряжениях затвор-исток U_ЗИ – рис. 5.5.

I_C

U_СИ, В

Рис. 5.5. Семейство стоковых характеристик JFET

По достижении определённого значительного напряжения сток-исток развивается лавинный пробой области между затвором и стоком. При этом резко увеличивается тока стока – рис. 5.5 а).

Функционирование полевых транзисторов с управляющим переходом возможно за счёт изменения сечения канала. Напряжение сигнала прикладывают к закрытому переходу, поэтому входное сопротивление каскада велико и может достигать 10⁹ Ом.

5.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором(MOSFET)

Полевой транзистор с изолированным затвором называется так потому, что его затвор, выполненный из тонкого металлического покрытия, нанесён на диэлектрический слой, который отделяет затвор от канала. По этой причине полевые транзисторы с изолированным затвором имеют аббревиатуру МДП (металл-диэлектрик-полупроводник). Слой диэлектрика часто образуют двуокисью кремния. Такие полевые транзисторы носят аббревиатуру МОП (металл-оксид-полупроводник). Полевые транзисторы с изолированным затвором имеют бо́льшее входное сопротивление (10¹⁵ Ом), чем полевые транзисторы с управляющим переходом.