ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевые транзисторы – FET (Field Effect Tra n sistors). Принцип действия полевых транзисторов заключается в управлении проводимостью полупроводникового канала с помощью электрического поля, создаваемого потенциаломна затворе. Ток канала обусловлен дрейфом основных зарядов (электронов в n -канале или дырок в p -канале), поэтому полевые транзисторы называют униполярными.
Два типа полевых транзисторов выделяются по способуизоляциизатвора от канала.
Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом (Шокли В. -1952 г.).
МДП транзисторы - структура металл –диэлектрик- полупроводник (Хофштейн С, Хейман Ф, -1963 г.)
2.4.1. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом. Конструкция. Принцип действия.
Управление величиной тока осуществляется за счёт изменения удельной проводимости и площади полупроводникового слоя – канала – с помощью электрического поля. В зависимости от типа проводимости канала различают транзисторы с каналом n -типа и транзисторы с каналом p -типа. Управляющий электрод изолируется от канала с помощью диэлектрика (окисла кремния) или с помощью обратно-смещённого p-n перехода. Конструктивное выполнение полевого транзистора с p-n переходом и каналом n -типа приведено на рис. 2.4. 1. Транзистор изготовлен на основе кристалла кремния n -типа проводимости. На торцах кристалла расположены электроды. Электрод, от которого начинается движение носителей (в канале n -типа – электроны), называется истоком, а электрод, к которому движутся носители – стоком. Для того, чтобы носители двигались от истока к стоку, на сток транзистора с n -каналом нужно подать положительное напряжение относительно истока. С боковых сторон кристалла путём легирования акцепторной примесью образованы области p -типа. Электрод, связанный с областями p -типа, называется затвором.
Между каналом n -типа и слоями p -типа образуются p-n переходы – области объёмных зарядов ионов примеси, обеднённые подвижными носителями заряда и обладающие поэтому низкой проводимостью.
Ширина канала определяется в соответствии с рис.2.4.1:
w= a -2 l (2.4.1)
где a – расстояние между слоями p -типа;
l – ширина перехода.
Концентрация примеси в p -слое значительно (на несколько порядков) больше, чем в n -канале, поэтому p-n переход распространяется в n -слой и его ширина
(2.4.2)
ширина проводящего слоя-канала
(2.4.3)
 |
Рис. 2.4. 1. Конструкция полевого транзистора с p-n переходом
При увеличении отрицательного напряжения на затворе ширина канала уменьшается и при некотором напряжении становится равной нулю – обеднённые слои смыкаются между собой и проводящий канал перекрывается. Напряжение затвора, при котором канал перекрывается и проводимость канала близка к нулю (ток отсекается), называется напряжением отсечки U зи отс. Если к затвору приложить положительное напряжение относительно истока, то ширина p-n переходов уменьшается, а w и проводимость канала возрастают. Возможное положительное значение U зи составляет 0,2 – 0,3В, т.к. при больших напряжениях открываются p-n переходы, резко увеличивается ток затвора. Для транзисторов с p-n переходом и каналом n -типа рабочие напряжения на затворе U зиотс≤ U зи≤0, а для транзисторов с каналом p-типа U зи отс>0 и 0≤ U зи≤ U зи отс.
Если приложить к стоку относительно истока положительное напряжение, то через канал начинает протекать ток за счёт движения электронов от истока к стоку. При постоянном напряжении на затворе потенциал канала относительно затвора становится более положительным. У истока напряжение на p-n переходе равно U зи, а у стока U зс= U зи- U си. Например, если U зи=-1В, а U си=+2В, то U зс=-1В-2В=-3В. По мере приближения к стоку к p-n переходу прикладывается всё более отрицательное напряжение (обратное) и ширина l возрастает, а ширина w=a−2 l уменьшается. Канал перекрывается таким образом по двум причинам: под действием управляющего напряжения на затворе канал сужается по всей длине равномерно; под действием напряжения на стоке канал сужается по мере приближения к стоку. На рис.2.4.2 изображено сечение канала для различных U зи и U си. Из рисунков видно, что чем больше напряжение на затворе (по абсолютной величине), тем меньше начальная ширина и проводимость канала, и тем меньше напряжение U си, при котором канал перекрывается. Если U си≥| U зи отс|, то канал перекроется у стока и при U зи=0, когда ширина канала у истока максимальна.
График 1 на рис.2.4.2 соответствует высокой проводимости канала, а графики 2,3,4 – низкой проводимости (канал перекрыт). Перекрытие канала приводит к резкому возрастанию дифференциального сопротивления канала и слабой зависимости тока от приложенного к каналу напряжения U си.
1. U зи=0, U си<| U зи отс|. 3. U зи<0, U си=| U зи отс- U зи|
2. U зи=0, U си=| U зи отс|. 4. U зи<0, U си>| U зи отс- U зи|
Рис. 2.4. 2. Смыкание высокоомных слоёв и перекрытие канала
В таблице 2.4.1 приводятся условные графические изображения полевых транзисторов с p-n переходом и каналами n - и p-типа с указанием полярности рабочих напряжений и положительных направлений токов.
Таблица 2.4.1
| Графическое изображение | Тип канала и полярности напряжений |
| Канал n -типа. Напряжение на стоке положительное относительно истока, на затворе – отрицательное: U си>0, U зи≤0. |
| Канал p-типа. Напряжение на стоке отрицательное относительно истока, на затворе – положительное: U си<0, U зи≥0. |
2.4.2. ВАХ полевых транзисторов с управляющим p-n переходом.
Зависимости между токами и напряжениями, приложенными к электродам полевых транзисторов с управляющим p-n переходом, описываются семействами вольтамперных характеристик. Статические стоковые характеристики представляют собой зависимости тока от напряжения сток-исток при постоянном напряжении на затворе:
Ic=f(Uси)|Uзи=const
Рис. 2.4. 3. Стоковые характеристики
При напряжениях на затворе, превышающих напряжение отсечки, канал перекрыт, и ток через транзистор практически отсутствует. При U зи=0 начальная ширина канала у истока максимальна, через транзистор протекает ток, зависящий от напряжения U си. При малых напряжениях U си ток стока возрастает почти пропорционально напряжению U си (участок 1). Когда напряжение U си достигнет значения | U зи отс|, канал у стока перекрывается, сопротивление канала увеличивается, происходит замедление роста тока I с – участок 2. Важным параметром ВАХ является начальный ток стока I c нач – ток стока при U зи=0, U си≥| U зиотс|. Если U зи отс< U зи<0 (для транзистора с каналом n -типа), то исходная ширина канала уменьшается по сравнению со случаем U зи=0, ток стока нарастает медленнее, а перекрытие канала и переход из области 1 линейного нарастания тока в область ограничения тока 2 происходит при меньших напряжениях U си=| U зи отс- U зи|.
В пологой части ВАХ при увеличении U си ток стока несколько возрастает, так как сопротивление перекрытого канала возрастает медленнее, чем напряжение U си (примерно пропорционально 
). При дальнейшем увеличении U си возможен электрический пробой p-n перехода у стока. Напряжение на p-n переходе складывается из напряжений | U зи| и U си, поэтому пробой наступает раньше при больших напряжениях | U зи|.
На участке 1, когда U си<| U зиотс- U зи|, стоковые характеристики описываются уравнением
(2.4.4)
и на начальном участке при малых U си<< U зи отс
(2.4.5)
Начальное сопротивление канала, характеризующее наклон крутых участков ВАХ, из последней формулы определяется выражением
или
(2.4.6)
На пологом участке 2 ВАХ ток стока слабо зависит от напряжения U си и может быть найден по формуле
(2.47)
Характеристика прямой передачи – стокзатворная – описывает зависимость тока стока от напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке:
 |
Рис. 2.4. 4. Стокзатворная характеристика полевого транзистора с каналом n -типа
При отрицательных напряжениях U зи, превышающих по модулю U зиотс, ток отсутствует. При положительных U зи ток стока возрастает, но такой режим на практике не применяется из-за отпирания p-n переходов. Аналитическое выражение стокзатворной ВАХ соответствует формуле (2.4.7).
Если продифференцировать выражение (2.4.7), то получим
(2.4.8)
Касательная, проведённая к стокзатворной характеристике в точке [ U зи=0; I c= I cнач], отсекает на оси абсцисс отрезок длинной U зиотс/2.
2.4.3. Параметры и схема замещения полевых транзисторов с управляющим p-n переходом
Важнейшим усилительным параметром полевого транзистора является крутизна стокзатворной характеристики:
(2.4.9)
Из рисунка 4 видно, что максимальная крутизна соответствует U зи=0 и уменьшается с ростом (по модулю) U зи.
В соответствии с формулой (2.4.7):
(2.4.10)
Если определить минимальное сопротивление канала R си0 по формуле (2.4.6), приняв U зи=0
(2.4.11)
то из формул (2.4.10) – (2.4.11) получим соотношение
(2.4.12)
Для увеличения крутизны необходимо уменьшать сопротивление канала, что достигается увеличением отношения ширины канала к его длине. В то же время, уменьшение сопротивления канала путём увеличения примеси нежелательно, потому что необходимо обеспечить распространение p-n переходов в область канала при увеличении обратного напряжения на p-n переходе.
Значение крутизны для пологой части ВАХ можно найти по формуле
(2.4.13)
Графически по статическим ВАХ крутизну определяют по углу наклона касательной, проведённой к стокзатворной характеристике в заданной рабочей точке:
(2.4.14)
К дифференциальным параметрам полевого транзистора относится также внутренне сопротивление RI, определяемое как отношение изменения напряжения на стоке к изменению тока стока при постоянном напряжении на затворе:
(2.4.15)
Внутренне сопротивление определяется с помощью стоковых характеристик по наклону графика тока в пологой области 2 ВАХ (рис.2.4.3):
Входная характеристика 
представляет собой ВАХ p-n перехода с резким возрастанием тока при U зи>0.
Схема замещения полевого транзистора в режиме малого сигнала приведена на рис.2.4.5.
Рис. 2.4. 5. Схема замещения полевого транзистора
В полевом транзисторе отсутствуют процессы инжекции и накопления неосновных носителей. Поэтому быстродействие и частотные свойства определяются процессами перезаряда барьерных ёмкостей управляющих p-n переходов. Входное сопротивление R зи на постоянном токе представляет собой сопротивление обратносмещённого p-n перехода и по величине составляет 108-109 Ом. Ёмкости для маломощных транзисторов, имеющих малые площади p-n переходов, составляют единицы пикофарад. Источник тока SU зи отражает усилительные свойства транзистора. Внутренне сопротивление источника RI на высоких частотах шунтируется ёмкостью Сси. При работе транзистора от высокоомного источника сигнала частотный диапазон ограничен временем перезаряда входной ёмкости Сзи через сопротивление источника сигнала. Проходная ёмкость Сзс образует частотозависимую обратную связь, уменьшающую усиление на высоких частотах. Поэтому ёмкость Сзс стараются технологически уменьшать. Полевые транзисторы используются в трёх основных схемах включения.
Усилительный каскад в схеме с общим истоком обеспечивает усиление по напряжению и мощности, коэффициент усиления по напряжению
Схема с общим стоком – истоковый повторитель обеспечивает коэффициент передачи по напряжению примерно равный единице, большое входное сопротивление и низкое выходное
Схема с общим затвором имеет низкое входное сопротивление – примерно R си0. Такое включение транзистора используется для построения источников тока и высококачественных повторителей тока, так как из-за очень малого значения токов утечки затвора с высокой степенью точности выполняется условие I С= I И.
МДП-транзисторы с встроенным каналом
В полевых МДП−транзисторах металлический затвор изолирован от полупроводникового канала диэлектриком, т.е. транзистор представляет собой структуру металл−диэлектрик−полупроводник – МДП. Наиболее распространён диэлектрик оксид кремния, поэтому такие транзисторы часто называют МОП−транзисторы.
Различают МДП−транзисторы с встроенным каналом и индуцированным каналом. В МДП−транзисторах с встроенным каналом канал создаётся технологически. Основой МДП−транзистора является подложка слаболегированного кремния. В теле подложки создаются сильнолегированные области другого типа проводимости, соединённые каналом того же типа проводимости. В зависимости от типа проводимости различают транзисторы с каналом n −типа и p−типа.
Наиболее распространены по технологическим причинам транзисторы с встроенным каналом n −типа – рис.2.4.6. В теле подложки – кристалла кремния p −типа проводимости – созданы две сильнолегированные области n −типа проводимости, соединённые каналом n −типа. Одна из областей n −типа является истоком, а другая – стоком. Электрод затвора изолирован от канала тонким слоем диэлектрика. Если приложить между стоком и истоком напряжение, положительное на стоке относительно истока, то через канал будет протекать ток, обусловленный начальной проводимостью канала. Если к затвору приложить положительное напряжение относительно истока, то электроны будут притягиваться из полупроводника к затвору, проводимость канала увеличивается, ток через транзистор возрастает. Такой режим работы при U зи>0 для транзистора со встроенным каналом n −типа называется обогащением. При подаче на затвор отрицательного напряжения относительно истока дырки притягиваются из подложки, а электроны отталкиваются из канал, происходит обеднение канала основными носителями – электронами, проводимость канала уменьшается. При некотором отрицательном напряжении U зи= U отс, называемом напряжением отсечки, происходит инверсия типа электропроводности канала: n +−области будут разделены слоем p−типа проводимости. Ток стока определяется обратным током p−n перехода, образованного n +−слоем и p −слоем подложки.
При протекании тока через канал от стока к истоку (движение электронов в обратном направлении) потенциал канала становится более положительным относительно затвора по мере приближения к стоку, что равносильно подаче на соответствующий участок затвора отрицательного напряжения. Поэтому канал сужается к стоку и при U си≥| U отс| канал перекрывается.
 |
Рис. 2.4. 6. МДП−транзистор с встроенным каналом n −типа
На рис.2.4.7 приведено семейство стоковых характеристик 
МДП−транзистора со встроенным каналом n −типа.
Стоковые характеристики содержат участок линейного нарастания тока стока и участок насыщения (ограничения) тока стока. Переход от одного участка к другому обусловлен смыканием канала у стока.
Рис. 2.4. 7. Стоковые характеристики МДП−транзистора с встроенным каналом n −типа
На рис.2.4.8 изображён вид канала для характерных точек стоковой характеристики.
В общем случае потенциал участка канала, прилегающего к затвору, относительно затвора равен U си− U зи. На линейном (омическом участке) при U зи=0, U си<| U отс| ток стока возрастает линейно при увеличении U си (т.2 рис.2.4.7). Когда из−за падения напряжения на объёмном сопротивлении канала напряжение между стоком и затвором станет равным U отс, обеднённый слой смыкается с поверхностью, канал перекрывается – т.2. Дальнейшее увеличение U си не приводит к существенному увеличению тока стока, а перекрытие канала происходит на участках канала, расположенных ближе к истоку – т.3. Чем меньше напряжение на затворе относительно истока, тем ниже начальная проводимость канала и тем раньше (при меньшем напряжении U си) канал смыкается – т.4,5,6 рис.2.4.7, рис.2.4.8б. При U зи< U отс канал перекрыт, ток I с=0 – т.7.
В режиме обогащения при U зи>0 соответственно увеличивается ток насыщения транзистора – т.8, перекрытие канала происходит при большем напряжении U си – т.9, а линейный участок более крутой – т.10.
Рис. 2.4. 8. Вид канала МДП транзистора с встроенным каналом
а) U зи=0 1. U си <| U отс| − линейный участок
2. U си ≈| U отс| − граничная точка
3. U си >| U отс| − участок насыщения
б) U зи<0 4. U си > U зи− U отс − участок насыщения
5. U си ≈ U зи− U отс − граничная точка
6. U си < U зи− U отс − линейный участок
7. U зи− U отс <0, I c=0 − отсечка
в) U зи>0 Обогащение канала
8. U си > U зи− U отс − участок насыщения
9. U си ≈ U зи− U отс − граничная точка
10. U си < U зи− U отс − линейный участок
На рисунке 2.4.9 изображена сток−затворная характеристика
Рис. 2.4. 9. Сток−затворная характеристика МДП−транзистора с встроенным каналом n −типа
Номера характерных точек соответствуют рисункам 2.4.7 и 2.4.8. При U зи>0 канал обогащается носителями n −типа, при U зи<0 обедняется, при U зи>| U отс| происходит инверсия типа проводимости приповерхностного слоя, канал n −типа исчезает, ток I с практически равен нулю. Протекает лишь малый ток обратно−смещённого перехода, образованного n +−областью стока и p−областью подложки.
Для предотвращения протекания прямых токов p− n переходов исток−подложка и сток−подложка к электроду подложки p−типа подключают отрицательное напряжение, а к подложке n −типа – положительное. Иногда при помещении кристалла в корпус электрод подложки соединяют с истоком.