ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

 

         В полевых тран­зисторах, управление потоком основных носителей заряда осуществляется в области полупроводника, назы­ваемой каналом, путем изменения его поперечного сечения с помощью электрического поля.  Полевой транзистор имеет следующие три электрода: исток, из которого они вытекают в  канал, сток, в который ос­новные  носители втекают из канала, и затвор, предназначенный для регулирования тока путем  изменения поперечного сечения канала.

         Преимуществом полевых транзисторов является также и то, что ассортимент полупроводниковых материалов для их изготовления значительно шире (так как они работают только с основными носителями заряда),          благодаря чему возможно создание, например, температуростойких приборов. Большое значение также имеют низкий уровень шумов и высокое входное сопротивление этих транзисторов.

Существует несколько  разновидностей полевых транзисторов, различающихся физической структурой и способом управления проводимостью канала, которые в ряде устройств работают более эффективно, чем биполярные. 

 

4.1 Полевой транзистор с управляющим p-n переходом.

На рисунке 4.1 приведена упрощенная структура  полевого транзистора с управляющим p-n переходом и каналом n-типа.   В принципе канал может иметь электропроводимость, как p-типа, так и n-типа; поскольку m_n > m_p   выгоднее применять n-канал. Затвор выполняют в виде полупроводниковой области p⁺-типа. Во входную цепь между затвором и каналом включен источник обратного смещения U_ЗИ. Выходная цепь состоит из источника постоянного напряжения U_СИ плюсом подсоединенного к стоку. Исток является общей точкой схемы. Контакты истока и стока невыпрямляющие.

Полевой транзистор работает следующим образом. При отсутствии напряжения на входе основные носители

Рис. 4.1 ПТ с управляющим  p-n переходом.

заряда - электроны под действием ускоряющего электрического поля в канале (E = 10⁵Q10⁴ В/см) дрейфуют в направлении от истока к стоку, в то время как p-n переход для них заперт. Ток I_С, создаваемый этими электро­нами, определяется как напряжением стока U_СИ, так и сопротивле­нием канала. Последнее зависит от поперечного сечения канала, которое ограничивается p-n переходом (заштрихованная область). Поскольку потенциал электрического поля линейно возрастает от истока к стоку вдоль кана­ла, толщина p-n перехода минимальна вблизи истока и максималь­на вблизи стока, и канал сужается вдоль  p-n перехода от истока к стоку. Таким образом, наибольшим сопротивлением канал обла­дает в наиболее узкой своей части, т.е. у стока.

Если обратное напряжение U_ЗИ подаваемое к затвору увеличить, то толщина p-n перехода по всей его длине увеличится, а площадь сечения канала и, следователь­но, ток в цепи стока уменьшаются.

Указанный эффект будет тем сильнее, чем больше удельное сопротивление материала полупроводника, поэтому полевые транзисторы выполняют из высокоомного материала (с малой концентрацией примесей в канале). При обратном напряжении на затворе равном U_ЗИ0 сечение канала в определенной его части станет равным нулю и ток через канал прекратится. Такой режим называется режимом отсечки.

 

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом

В качестве статических характеристик ПТ представляются функциональные зависимости между токами и напряжениями, прикладываемыми к их электродам: входная характеристика I_З = f(U_ЗИ) при U_СИ = const; характеристика обратной связи I₃=f(U_СИ) при U_ЗИ = const; характеристика прямой передачи I_С=f(U_ЗИ) при U_СИ = const; выходная характеристика I_С = f(U_СИ) при U_ЗИ = const.

На практике широко используются лишь две последние характеристики, причем первую из них часто называют передаточной характеристикой.

Входная характеристика и характеристика обратной связи применяется редко, так как в абсолютном большинстве случаев входные токи ПТ пренебрежимо малы (от 10^-8 до 10^-12 А) по сравнению с токами, протекающими через элементы, подключенные ко  входу.

На рисунке 4.2, а изображена характеристика прямой передачи I_С =f(U_ЗИ).

а)	б)
Рис. 4.2. Характеристики прямой передачи (а) и выходные (б) ПТ с управляющим p-n переходом.

При напряжениях на стоке U_СИ > U_ЗИ0 характеристика прямой передачи хорошо описывается формулой

   _,                                               (4.1)

где I_С0 – ток стока при U_ЗИ=0.

На рисунке 4.2, б изображено семейство статических выходных характеристик I_С =f(U_СИ) при различных значениях напряжения затвора  U_ЗИ. Каждая характеристика имеет три участка - омический (для  U_СИ < U_ЗИ0-  U_ЗИ), насыщения (для U_СИ > U_ЗИ0 - U_ЗИ) и пробоя. При U_ЗИ = 0 с увеличением напряже­ния U_С ток I_С вначале нарастает почти линейно, однако далее характеристика перестает подчиняться линейному закону; ток I_С начинает расти медленнее, ибо его увеличение приводит к повышению падения напряжения в канале и потенциала вдоль канала. Вследствие этого увеличиваются толщина запирающего слоя и сопротивление канала в области, прилегающей к стоку,   это приводит к замедлению возрастания самого тока I_С. При напряжении насыщения U_СИ = U_ЗИ0 сечение канала вблизи стока приближается к нулю и рост I_С прекращается.

В омической области U_CИ < |U_ЗИ0 - U_ЗИ|  ток стока определяется формулой                          

,                            _(4.2)                         

где К_ПТ – постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транзистора и свойства материала, из которого он изготовлен.

Значение К_ПТ можно выразить через параметры ПТ. Например, в случае ПТ с p-n-переходом

                                                 (4.3)

Следующая характеристика, снятая при некотором обратном напряжении затвора U_ЗИ1, когда запирающий слой имеет большую толщину при тех же значениях U_СИ, будет более пологой на начальном участке и насыщение наступит при меньших значениях U_СИ1=U_ЗИ0 -U_ЗИ1.

При больших напряжениях на стоке наблюдается резкое увеличение I_С, и, если мощность рассеивания на стоке превышает допустимую, то происходит необратимый пробой участка затвор-сток. При увеличении запирающего напряжения до U_ЗИ2 увеличивается разность потенциалов между затвором и стоком. В этом случае пробой наблюдается при меньшем напряжении U_СИ на величину напряжения U_ЗИ2, т.е. U_СИ2 = U_СИ1- U_ЗИ2.

Если к p-n-переходу затвор-канал прикладывать прямое напряжение, то обедненный слой уменьшается и эффективная толщина проводящего канала увеличивается. Выходной ток в данном случае возрастает. Однако при определенных значениях отпирающего напряжения (превышающих 0,6 В для кремниевых приборов) возникают существенные прямые токи перехода затвор-канал, ток стока и входное сопротивление прибора в этом случае резко падают. Из-за этого в большинстве случаев применения ПТ работа с прямыми токами затвора нежелательна. Поэтому обычно транзисторы с p-n-переходом используют при запирающих входных напряжениях.

Температурная зависимость тока истока связана с изменением подвижности основных носителей, заряда в материале канала. Для кремниевых транзисторов крутизна S уменьшается с увеличе­нием температуры. Кроме того, с повышением температуры увели­чивается собственная проводимость полупроводника, возрастает входной ток I_З черед переход и, следовательно, уменьшается R_ВХ. У полевых кремниевых транзисторов с p-n переходом при комнатной температуре ток затвора порядка 1 нА. При увеличении температуры ток удваивается на каждые 10°С.

Особенность полевых транзисторов заключается в наличии у них термостабильной точки (ТСТ), т. е. точки, в которой ток стока прак­тически постоянен при различных температурах (рисунок 4.3). Это объясняется следующим образом. При повышении температуры из-за уменьшения подвижности носителе удельная проводимость канала уменьшается, а, следовательно, уменьшается и ток стока. Одновременно сокращается ширина p-n перехода, расширяется проводящая часть канала и увеличивается ток. Первое сказывается при больших токах стока, второе при малых. Эти два противоположных процесса при определенном выборе рабочей точки мо­гут взаимно компенсироваться. При правильном ее положения основной причиной дрейфа тока стока может быть высокоомный резистор в цепи затвора, в зависимости от температуры будет из­меняться падение   напряжения на нём и потенциал на затворе, которое изменит рабочий ток стока.

Полевые транзисторы с p-n переходом целесообразно приме­нять во входных устройствах усилителей при работе от высокоомного источника сигнала, в чувствительной по току измерительной аппаратуре, импульсных схемах, регуляторах уровня сигнала и т. п.

 

4.2 Полевой транзистор с изолированным затвором

 (МДП-транзистор).

Этот транзистор имеет структуру металл - диэлектрик - полупроводник и может быть двух типов: с индуцированным каналом (рисунок 4.4, а) и с встроенным каналом (рисунок 4.4, б). Если осно­вой транзистора является кремний, то диэлектриком может быть слой окиси кремния, поэтому такую структуру чаще всего называют МОП-транзистор (металл - окисел - полу­проводник).

  Транзистор с индуцированным каналом имеет обла­сти истока n⁺ и стока n⁺, выводы от  которых выполнены путем металлизации че­рез отверстия в двуокиси кремния. На слой двуокиси окиси кремния напыляют слой алюминия, служащий затво­ром. Можно считать, что алюминиевый затвор и полупроводниковый материал p-типа образуют плоский конденсатор с окисным диэлектри­ком. Если на затвор подать положительное на­пряжение, то

а)	б)
Рис. 4.4. Структура МДП ПТ с индуцированным (а) и  встроенным  (б)  каналами.

положительный заряд обкладки затвора индуцирует соответствующий отрицательный заряд в полупроводниковой области кана­ла.  С возрастанием положительно­го напряжения этот заряд, созданный притянутыми из глубины p-области проводника электронами, которые являются неосновными носителями, превращает поверхност­ны слой полупроводника p-типа в проводящий канал n-типа, со­единяющий исходные n⁺-области истока и стока. Поэтому умень­шается сопротивление материала между истоком и стоком, что ве­дет к увеличению тока стока. Таким образом, благодаря электро­статической индукции между истоком и стоком при достижении напряжения U_{ЗИ ПОР} происходит инверсия типа проводимости полупроводника. Слой полупроводника  p-типа превращается в полупроводник n-типа. До инверсии сопротивление между истоком и стоком определяется сопротивлением закрытого перехода, так как до инверсии имеет место структура n⁺-р-n⁺. После инверсии образуется n-проводимость и струк­тура становится n⁺-n-n⁺. Меняя напряжение на затворе, можно уп­равлять током стока. Если взять подложку n-типа, то можно построить МДП-транзистор с индуцированным p-каналом, который управляется отрицательным напряжением на затворе.

Транзистор с встроенным каналом имеет конструкцию, подоб­ную предыдущей. Между истоком и стоком методом диффузии со­здают слаболегированный канал c проводимостью n^--типа при проводимости подложки p-типа. Возможно другое сочетание. Канал имеет проводимость p-типа, а подложка — проводимость n-типа. В отсутствие напряже­ния на затворе (рис. 4.4, б) ток между истоком и стоком опреде­ляется сопротивлением n^--канала. При отрицательном напряжении на затворе концентрация носителей заряда в канале уменьшится (канал обедняется носителями) и в нем появляется обедненный слой. Сопротивление между истоком и стоком увеличивается и ток уменьшается. При по­ложительном напряжении на затворе в канале индуцируется дополнительный отрицательный заряд (канал обогащается носителями) и ток стока увеличивается, по­тому что, увеличивается его проводимость.

 

Статические характеристики МДП ПТ

На рисунке 4.5 приведены характеристики прямой передачи МДП-транзисторов с индуцированным (кривая 1) и встроенным (кривая 2)  каналами. Из рисунка видна квадратичность передаточной характеристики. Теоретически характеристика прямой передачи для транзистора с индуцированным каналом опи­сывается следующим выражением:

            (4.3)

при           

где, U_{ЗИ ПОР} – пороговое напряжение ПТ, соответствующее току стока I_С = 10 мкА; I_С0 – ток насыщения стока, измеренный при входном напряжении  U_ЗИ = 2∙U_{ЗИ ПОР}.

         Передаточная характеристика для транзистора со встроенным каналом описывается уравнением (4.1).

Выходные характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа приведены на рисунке 4.6, а со встроенным ка­налом - на рисунке 4.6, б.

а)	б)
Рис. 4.6.  Выходные характеристики ПТ с индуцированным  (а) и встроенным (б) каналами.

 

Для транзистора с индуцированным каналом в омической области при напряжении стока   U_CИ < |U_ЗИ - U_{ЗИ ПОР} | теоретический ток стока определяется уравнением

.                                  (4.4)

где , U_{ЗИ ПОР} – пороговое напряжение ПТ, соответствующее току стока I_С = 10 мкА; I_СН – ток насыщения стока, измеренный при входном напряжении U_ЗИ = 2U_{ЗИ ПОР}.

4.3. Дифференциальные параметры полевого транзистора

Поскольку ПТ, как и электронная лампа, является прибором, управляемым напряжением, то рационально использовать систему уравнений с y-параметрами. Токи в этой системе считают функциями напряжений:

I₁ = f(U₁, U₂);                I₂ = f(U₁, U₂).                                              (4.4)

Тогда выражения для полных дифференциалов токов стока и затвора можно представить в виде:

                                      (4.5)

В этих выражениях частные производные, определяющие приращения токов при изменении соответствующих напряжений, можно рассматривать как дифференциальные параметры транзистора, имеющие размерность проводимости.

- входная проводимость,

- проводимость обратной передачи,

- проводимость прямой передачи,

- выходная проводимость.

Заметим, что y-параметры определяются в режиме короткого замыкания для переменной составляющей тока на входе (y₂₂ и y₁₂) и на выходе (y₂₁ и y₁₁). Это трудно обеспечить на низких частотах и легко – на высоких.

В полевых транзисторах, включенных по схеме с общим истоком, U₁ =U_ЗИ – это напряжение затвор-исток, I₁ =I_З – ток затвора, U₂ =U_СИ  – напряжение сток-исток, ток  I₂ =I_С   – ток стока.

Как было сказано выше, входной ток очень мал и поэтому входная проводимость у₁₁ так же очень мала.

Проводимостью обратной передачи у₁₂ на низких частотах так же можно пренебречь.

Проводимость прямой передачи у₂₁ называется крутизна и для транзистора, включенного по схеме с общим истоком, определяется как

   

Она характеризует управляющее действие затвора и измеряется в [мА/В].  Определяется по характеристикам заменяя бесконечно малые приращения конечными, то есть     .  Подробнее в [4].

Для получения высокой крутизны необходимо иметь канал с малой длиной и большой шириной. Увеличивать толщину канала и уменьшать удельное сопротивление нецелесообразно, так как это ведет к увеличению отрицательного порогового напряжения. Практически, длина канала составляет несколько микрометров, а его ширина может достигать тысячи микрометров.

Выходная проводимость    

параметр характеризует влияние напряжения стока на ток стока. Ее определяют по выходным характеристикам заменяя бесконечно малые приращения конечными, то есть

.

Величина выходной проводимости очень мала и обусловлена изменением длины канала при изменении напряжения стока. Чем короче канал, тем больше относительное изменение его длины при одном и том же приращении DU_СИ следовательно, тем больше проводимость у₂₂. Часто вместо параметра у₂₂ применяют обратную величину R_i = 1/у₂₂.Этот параметр называется внутренним сопротивлением транзистора.

Помимо рассмотренных параметров используют параметр, характеризующий сравнительное воздействие напряжений стока и затвора на ток стока. Этот параметр называется коэффициентом усиления μ. Он равен отношению приращений напряжений стока и затвора, вызывающих одинаковые по величине и противоположные по знаку приращения тока стока:

.

Знак «минус» в этой формуле учитывает, что положительному приращению dU_СИ увеличивающему ток на величину dI_С  соответствует отрицательное приращение dU_ЗИ уменьшающее ток на ту же самую величину dI_С, благодаря чему обеспечивается постоянство тока I_С.

Параметр μ определяется через параметры S и R_i. следующим образом:

μ=S∙R_i.

Полученное соотношение связывает между собой дифференциальные параметры полевого транзистора.

Так же как и в полевом транзисторе с р-n-переходом, дифференциальными параметрами МДП-транзистора являются крутизна S, внутренняя проводимость  у₂₂, и коэффициент усиления μ. Способ определения их по характеристикам такой же как и для полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом.

Для повышения крутизны надо снижать пороговое напряжение и уменьшать длину канала и толщину подзатворного диэлектрика, а также увеличивать ширину канала. Практически длина канала составляет от 1 до 10 мкм, толщина диэлектрика 0,1 мкм.

Важным параметром при работе полевых транзисторов в усилительном режиме является величина выходной проводимости. Желательно, чтобы она была небольшой.

Проводимость прямой передачи численно равна крутизне. Выбирая ПТ с высокой крутизной в рабочей точке, добиваются больших значений коэффициента усиления по напряжению.