5. Полевые транзисторы

Широкое распространение получили полевые транзисторы, иначе называемые униполярными в отличие от биполярных транзисторов. Главным достоинством полевых транзисторов является высокое входное сопротивление. В настоящее время биполярные транзи­сторы все чаще и чаще вытесняются полевыми.

5.1. Полевые транзисторы с управляющим переходом

Принцип включения и устройства полевого транзистора с управляющим р-п-переходом (ПТУП), показаны на рис. 5.1. Пластинка из полупроводника п-типа, имеет на противопо­ложных концах электроды, с помощью которых она включена в выходную (управ­ляемую) цепь усилительного каскада. Эта цепь питается от источника Е_С, и в нее включена нагрузка R_С. Вдоль транзистора проходит выходной ток основных носителей (электронов). Входная (управляющая) цепь транзистора образована с помощью третьего электрода, представляющего собой область с другим типом электропроводности. В данном случае это р-область. Источник питания входной цепи U_ИЗ создает на единственном р-п-переходе полевого транзистора обратное напряжение. Прямое напряжение, на р-п-переход не подают, так как тогда входное со­противление будет очень малым. Во входную цепь включается источник усили­ваемых колебаний.

Рис.5.1. Схема включения полевого транзистора управляющим с р-п-переходом и каналом п-типа

При изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на р-п-переходе и от этого изменяется толщина запирающего (обедненного) слоя, огра­ниченного на рис. 5.1,б штриховой линией. Соответственно меняется пло­щадь поперечного сечения области, через которую проходит поток основных носителей заряда, т. е. выходной ток. Эта область называется каналом.

Электрод, из которого в канал вытекают основные носители заряда, называют истоком (И). Из канала носители проходят к электроду, который называется стоком (С). Управляющий электрод, предназначенный для регулирования пло­щади поперечного сечения канала, называется затвором (3).

Если увеличивать обратное напряжение затвора U_ИЗ то запирающий слой р-п-перехода становится толще и площадь поперечного сечения канала уменьшается. Следо­вательно, его сопротивление постоянному току R_К возрастает и ток стока I_C становится меньше. При некотором запирающем напряжении отсечки U_ОТС площадь поперечного сечения канала станет равна нулю и ток I_C будет весьма малым. Транзистор запирается. А при U_ИЗ = 0 сечение канала наибольшее, сопротив­ление R_К наименьшее, например несколько десятков ом, и ток I_C получается на­ибольшим. Для того, чтобы входное напряжение возможно более эффективно управляло выходным током, материал полупроводника, в котором создан канал, должен быть высокоомным, т. е. с невысокой концентрацией примесей. Тогда запирающий слой в нем получается большей толщины. Кроме того, начальная толщина самого канала (при U_ИЗ = 0) должна быть достаточно малой. Обычно она не превышает нескольких микрометров. Напряжение отсечки U_ОТС при этих условиях составляет единицы вольт.

Поскольку вдоль канала потенциал повышается по мере приближения к стоку, то ближе к стоку обратное напряжение р-п-перехода затвора увеличивается и толщина запирающего слоя получается больше.

Управляющее действие затвора наглядно иллюстрирует проходные или управляющие (стокозатворные) характеристики, выражающие зависимость при (рис. 5.2)

Рис. 5.2. Проходные (стокозатворные) характеристики полевого транзистора

с каналом n-типа

На рис. 5.3 изображены выходные (стоковые) характеристики полевого транзистора при . Они показывают, что с увеличением ток сначала ростет довольно быстро, а затем это нарастание замедляется и почти совсем прекращается, т. е. наступает явление, напоминающее насыщение. Это объясняется тем, что при повышении ток должен увиличиваться, но так как одновременно повышается обратное напряжение на p – n^- переходе, то запирающий слой расширяется, канал сужается, т. е. его сопротивление возрастает, и за счет этого ток должен уменьшиться. Таким образом, имеют место два взаимно противоположных воздействия на ток, который в результате остается почти постоянным.

Рис. 5.3. Выходные (стоковые) характеристики полевого транзистора с каналом n-типа

При подаче большего по абсолютному значению отрицательного напряжения на затвор ток уменьшается и характеристика проходит ниже.

Работа транзистора обычно происходит на пологих участках характеристик, т. е. в области, которую иногда называют областью насыщения. Напряжение при котором начинается эта область, называют напряжением насыщения, а запирающее напряжение затвора называется напряжением отсечки. Для транзисторов с каналом р-типа полярности питающих напряжений противоположны.

Полевой транзистор характеризуют следующими параметрами. Основным усилительным параметром является крутизна:

при const (5.1)

и может быть до нескольких миллиампер на вольт.

Крутизна характеризует управляющее действие затвора. Например, S=3 мА/В означает, что изменение напряжения затвора на 1 В создает изменение тока стока на 3 мА.

Вторым параметром является выходная проводимость транзистора между стоком и истоком для переменного тока и выражается формулой:

при const. (5.2)

На пологих участках выходных характеристик g₂₂ достигает десятков мкСм и оказывается .

Иногда пользуются еще третьим параметром – коэффициентом усиления μ, который показывает, во сколько раз сильнее действует на ток стока изменение напряжения затвора, нежели изменение напряжения стока. Коэффициент усиления определяется по формуле:

μ = -∆U_СИ /∆U_ИЗ = S/g₂₂ при I_C = const, (5.3)

т. е. выражается отношением таких изменений ∆U_СИ и ∆U_ИЗ, которые компенси­руют друг друга по действию на ток I_C в результате чего этот ток остается постоянным. Так как для подобной компенсации ∆U_СИ и ∆U_ИЗ должны иметь разные знаки, то в правой части формулы (5.3) стоит знак «минус». Для пологих участков выходных характеристик μ достигает десятков.

Входное сопротивление полевого транзистора определяется, как обычно, по формуле:

R_вх = ∆U_ИЗ /∆ I_З при U_СИ =const. (5.4)

Поскольку ток I₃ является обратным током p-п-перехода, а, значит, он очень мал, то R_вх достигает единиц и десятков мегаом.

Полевой транзистор имеет также входную емкость между затвором и истоком С_ЗИ, которая является барьерной емкостью р-п-перехода и составляет единицы пикофарад. Меньшие значения имеет проходная емкость между затвором и стоком С_ЗС, а самой малой является выходная емкость между истоком и стоком С_СИ.

Полевой транзистор можно включить по одной из трех основных схем. На рис. 5.1 была показана наиболее часто применяемая схема включения с общим истоком (ОИ). Каскад с ОИ дает большое усиление и мощности и переворачивает фазу напряжения. Поскольку обычно R_С « g₂₂, то коэффициент усиления каскада с ОИ по напряжению можно приближенно подсчитать по формуле:

= SR_C. (5.5)

На рис. 5.4 показана эквивалентная схема замещения полевого тран­зистора для включения его с ОИ. Для низких частот можно исклю­чить из схемы емкости. Генератор тока SU_ИЗ отражает усиление, даваемое тран­зистором, а g₂₂ представляет собой проводимость канала пере­менному току. К входным зажимам подключается источник колебаний, а к выходным — нагрузка.

Рис.5.4. Линейная эквивалентная схема полевого транзистора

В практических усилительных каскадах обычно применяется автоматическое смещение от од­ного источника Е_С , как это показано на рис. 5.5 для транзистора с п-каналом. Для получения постоянного обратного напряжения на р-п-переходе в провод истока включается резистор R_И зашунтированный конденсатором С_И. Постоянный ток истока I_И ≈ I_C создает на резисторе R_И напряжение смещенияU_ИЗ = I_ИR_И, которое через резистор R_З ≈ 1МОм подается на р-п-переход. Резистор R_З должен иметь большое сопротивление, чтобы не снижалось входное сопротивление каскада. Сопротивление R_И рассчитывается по формуле R_И = U_ИЗ / I_И . Величины U_ИЗ и I_И могут быть определены для выбранного режима работы из выходных характеристик.

Рис.5.5. Питание полевого транзистора от одного источника

Через конденсатор С_И проходит переменная составляющая тока стока. Емкость С_И должна быть такой, чтобы емкостное сопротивление для самой низшей частоты было во много раз меньше R_И. Тогда на С_И будет получаться небольшое переменное напряжение. Если конденсатора С_И нет, то на R_И получается значительное переменное напряжение. Оно будет пода­ваться на вход транзистора в противофазе с входным напряжением U_вх (отри­цательная обратная связь). Результирующее переменное напряжение на входе транзистора станет меньше, и усиление снизится. Иногда такая отрицательная обратная связь приме­няется для уменьшения искажений и повышения устойчивости коэффициента усиления.

Иногда входной источник колебаний имеет постоянное на­пряжение, которое не должно попадать на вход транзистора. В этом случае переменное входное напряже­ние подают через разделительный конденсатор С_р.

На рис. 5.6 показано включение полевого транзистора с каналом п-типа по схеме с общим затвором (ОЗ) и с общим стоком (ОС). Схема с ОЗ не дает усиления тока, и поэ­тому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Входное сопротивление данной схемы мало, так как входным током является ток истока. Фаза напряжения при усилении не переворачивается.

Рис.5.6.Схема включения поле­вого транзистора с общим затво­ром (а) и с общим стоком (б)

Каскад по схеме ОС (рис. 5.6,б) называется истоковым повторителем. Коэффициент усиления каскада по напря­жению близок к единице. Выходное напряжение по значению и фазе повторяет входное. Для такого каскада характерны сравнительно небольшое выходное сопро­тивление и повышенное входное. Кроме того, значительно уменьшена входная емкость, что способствует увеличению входного сопротивления на высоких ча­стотах.

Помимо высокого входного сопротивления полевые транзисторы имеют ряд преимуществ по сравнению с биполярными транзисторами. Так как в полевом транзисторе ток I_С вызван перемещением основных носителей, концентрация ко­торых определяется количеством примеси и поэтому мало зависит от температуры, то полевые транзисторы являются более термостабильными. При повышении температуры наблюдается только значительное увеличение тока затвора (тока неосновных носителей), но все же он остается достаточно малым, и поэтому входное сопротивление сохраняет высокие значения. Полевой транзистор создает меньшие шумы и обладает более высокой стойкостью к действию ионизирующего излучения. Недостатком многих полевых тран­зисторов является сравнительно невысокая крутизна.

Как правило, выпускаются кремниевые полевые транзисторы. Кремний при­меняется потому, что ток затвора, т. е. обратный ток р-п-перехода, получается во много раз меньше, чем у германия. При температуре 20 °С постоянный ток затвора может составлять всего лишь 1 нА.

5.2. МОП-транзисторы со встроенным каналом

Дальнейшим развитием полевых транзисторов являются транзисторы с изо­лированным затвором. У них металлический затвор отделен от полупроводни­кового канала тонким слоем диэлектрика. Иначе эти приборы называют МДП-транзисторами (от слов «металл — диэлектрик — полупроводник») или МОП-транзисторами (от слов «металл — оксид — полупроводник»), так как диэлектриком обычно служит слой диоксида кремния Si0₂.

На рис. 5.7 показаны принцип устройства полевого транзистора с изоли­рованным затвором и его изображения на схемах. Подложкой служит кремни­евая пластинка с электропроводностью р-типа. В ней созданы две области с по­вышенной проводимостью п ⁺ - типа. Эти области являются истоком и стоком. От них сделаны выводы.

Рис. 5.7. МОП-транзистор со встроенным ка­налом п-типа (а) и условные графические изображения МОП-транзисторов с каналами п-типа (б) и р-типа (в)

Между истоком и стоком встроен тонкий приповерх­ностный канал с электропроводностью n-типа. Длина канала от истока до стока обычно единицы микрометров, а его ширина — сотни микрометров и более в зависимости от рабочего тока транзистора. Толщина диэлектрического слоя диок­сида кремния (показан штриховкой) 0,1 — 0,2 мкм. Сверху диэлектрического слоя расположен затвор в виде тонкой металлической пленки. Подложка МОП-тран­зистора обычно соединена с истоком, и ее потенциал принимается за нулевой — так же, как и потенциал истока. Прибор с такой структурой называют транзистором со встроенным каналом.

Если при нулевом напряжении затвора приложить между стоком и истоком напряжение, то через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов. Через подложку ток не пойдет, так как р-n-переход стока находится под обратным напряжением. При подаче на затвор напряжения, отрицательного отно­сительно истока, а следовательно, и относительно подложки, в канале создается поперечное электрическое поле, под влиянием которого электроны проводимости выталкиваются из канала в подложку. Канал обед­няется электронами, сопротивление его увеличивается, и ток стока I_C уменьшается. Чем больше отрицательное напряжение затвора, тем меньше этот ток. При напряжении U_ИЗ = U_ОТС ток I_C = 0. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.

Если же на затвор подать положительное напряжение, то под действием поля, созданного этим напряжением, из подложки в канал будут приходить электроны, проводимость канала увеличи­вается и ток стока возрастает. Этот режим называют режимом обогащения.

Транзистор со встроенным каналом, таким образом, может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения. Это показывают его выходные (стоковые) характеристики, изображенные на рис. 5.8,а, и проходная характеристика на рис. 5.8,б. Как видно, выходные характеристики МОП-транзистора подобны таким же характеристикам полевого транзистора с управляющим р-п-переходом. Это объясняется тем, что при возрастании напряжения U_СИ от нуля сначала действует закон Ома и ток I_C растет приблизительно пропорционально напряжению, а затем, при некотором напряжении U_СИ, канал начинает сужаться, особенно около стока, так как на p-п-переходе между ка­налом и подложкой возрастает обратное напряжение, область этого перехода, обедненная носителями, расширяется и сопротивление канала увеличивается. Таким образом, ток стока испытывает два взаимно противоположных влияния: от увели­чения U_СИ ток I_C должен возрастать по закону Ома, но от увеличения сопротив­ления канала ток уменьшается. В результате после перекрытия канала ток I_C остается почти постоянным.

Рис. 5.8. Выходные (а) и проходная (б) характеристики МОП-транзистора со встроенным каналом п-типа

В том случае, если подложка имеет электропроводность n-типа, канал должен быть р-типа и полярность напряжений надо изменить на противоположную. Транзистор со встроенным каналом р-типа на схемах изображают так, как показано на рис. 5.7,в.

5.3. МОП-транзисторы с индуцированным каналом

Другим, более распространненым, типом является транзистор с индуцированным каналом (рис. 5.9).

Рис. 5.9. МОП-транзистор с индуцированным каналом п-типа (а) и его условное графическое изображение (б).

От предыдущего он отличается тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения одной полярности. При отсутствии этого напряжения канала нет, между истоком и стоком п⁺ - типа расположена только подложка р-типа и на р-п⁺ -переходе стока получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между истоком и стоком очень велико, т. е. транзистор заперт. Но если подать на затвор положительное напря­жение, то под влиянием поля затвора электроны проводимости будут переме­щаться из р-подложки по направлению к затвору. Когда напряжение затвора превысит пороговое зна­чение U_ПОР (единицы вольт), то в приповерхностном слое кон­центрация электронов настолько увеличится, что превысит концентрацию дырок, и в этом слое произойдет так на­зываемая инверсия типа электропроводности, т. е. образуется тонкий канал n-типа и транзистор начнет проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем боль­ше проводимость канала и ток I_C.

Таким образом, подобный транзистор может работать только в режиме обогащения, что видно из его выходных характеристик, показанных на рис. 5.10,а , и проходных характеристик на рис.5.10,б. Если подложка n-типа, то получится индуцированный ка­нал р-типа.

Рис. 5.10. Выходные характеристики транзистора с индуцированным каналом п-типа

Параметры МОП-транзисторов аналогичны параметрам полевых транзисто­ров с р-п -переходом.

Транзисторы с изолированным затвором имеют преимущества в отношении температурных, шумовых, радиационных и других свойств, отмеченных для поле­вых транзисторов с р-п-переходом, и, кроме того, обладают еще рядом до­стоинств. Входное сопротивление постоянному току на низких частотах у них представляет собой сопротивление изоляции затвора и достигает 10¹²— 10¹⁵ Ом. Важно, что входное сопротивление остается большим при любой полярности напря­жения затвора (у полевых транзисторов с р-n-переходом при прямом напряжении на затворе входное сопротивление становится очень малым). Входная емкость может быть меньше 1 пФ, и предельная частота доходит до сотен мегагерц. Разработаны мощные транзисторы с изолированным затвором, имеющие кру­тизну 0,1А/В и больше и работающие на частотах в сотни мегагерц.

Тран­зисторы с изолированным затвором могут применяться во всех схемах, рас­смотренных выше (ОИ, ОЗ и ОС). Следует отметить, что изготовление полевых транзисторов по планарно-эпитаксиальной технологии сравнительно несложно и упрощает создание микроэлектронных схем. Особенно просто изготовляются МОП-транзисторы с индуцированным каналом, так как в подложке надо сделать лишь две области истока и стока.