3.3 Полевой транзистор.

3.3.1. Понятие, элементы и типы полевых транзисторов.

Полевым транзистором является полупроводниковый прибор, в котором ток создают основные носители заряда под действием продольного электрического поля, а управление величиной тока осуществляется поперечным электрическим полем.

Рассмотрим основные элементы полевого транзистора.

Канал - область полупроводникового кристалла, в котором протекает поток основных носителей зарядов.

Исток - электрод полевого транзистора, через который в канал втекают носители заряда.

Сток - электрод, через который вытекают носители заряда из канала.

Затвор - электрод, к которому прикладывается управляющее напряжение, с помощью которого регулируется ток канала.

Существует несколько типов полевых транзисторов, отличающихся по конструкции. На рисунке 3.23 представлена диаграмма типов полевых транзисторов.

Рисунок 3.23 – Типы полевых транзисторов

В транзисторах с неизолированным затвором между каналом и затвором нет изоляции. Затвор с каналом образуют управляемый p-n переход, поэтому их называют транзисторами с управляемым p-n переходом. За ними сохранились так же первые их наименования - канальные или униполярные.

В транзисторах с изолированным затвором между каналом и затвором находиться изоляция. Затвор через диэлектрик присоединен к каналу, который выполнен из полупроводника. В результате получилась конструкция из металла, диэлектрика и полупроводника. Используя первые буквы этих трех слов такие транзисторы стали называть транзисторами типа МДП. В качестве диэлектрика в настоящее время используют окислы (например, двуокись кремния SiO₂). Поэтому в наименовании таких транзисторов часто буква "Д" заменяется буквой "О" от слова окисел. И тогда они обозначаются как транзисторы типа МОП.

Транзисторы типа МДП (МОП) подразделяются на транзисторы с встроенным каналом и индуцированным каналом. Наконец все полевые транзисторы подразделяются на транзисторные с каналом типа-p или типа-n.

3.3.2 Конструкции и принципы действия полевых транзисторов.

Как отмечалось выше, тип полевого транзистора определяется его конструкцией. Рассмотрим устройство полевого транзистора с неизолированным затвором. На рисунке 3.24 показано его устройство. Он

затвор

p

сток

Исток

n

p

Контактная пластина

канал

Рисунок 3.24 Полевой транзистор с неизолированным затвором

состоит из канала, который может быть типа-n (рисунок 3.24) или типа-p. К каналу с обеих сторон подключены контактные пластины, одна из которых является истоком, а другая стоком. Затвор представляет собой полупроводник, с проводимостью противоположной проводимости канала, который внедрен в канал и к которому подсоединена контактная пластина. Особенностью полупроводника затвора является то, что он легирован больше, чем полупроводник канала. Это значит, что плотность основных носителей в полупроводнике затвора больше плотности основных носителей в полупроводнике канала.

На рисунок 3.25 представлена конструкция полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом. На подложке из

Рисунок 3.25 – Полевой транзистор с изолированным затвором и

встроенным каналом

полупроводника типа-p, обладающей низким уровнем легирования (низкой плотностью основных носителей зарядов), расположен полупроводник типа-n, являющийся каналом. К нему с одной и с другой стороны подключены контактные группы с выводами и соответствующие истоку и стоку. Затвор представляет собой контактную пластину. Между затвором и каналом расположен изолятор, выполненный, как уже отмечалось из окисла. К подложке подключена контактная пластина, назначение которой будет рассмотрено ниже.

На рисунок 3.26 представлена конструкция полевого транзистора с изолированным затвором и с индуцированным каналом. По конструкции он с

p

n

подложка

Контактная пластина

исток

сток

изолятор

затвор

хож с полевым транзистором с встроенным каналом (рисунок 3.25). Отличается он тем, что у него нет гальванической связи между истоком и стоком - нет в исходном состоянии в явном виде. Он будет с индуцирован, т.е. создан во время работы транзистора, о чем будет сказано ниже.

Рисунок 3.26 – Полевой транзистор с изолированным затвором и

индуцированным каналом

Рассмотрим принцип действия полевых транзисторов.

Полевой транзистор с неизолированным затвором, с управляемым p–n переходом – схема его включения представлена на рисунок.3.21.

Рисунок 3.21 – Схема включения полевого транзистора с

не изолированным затвором

Напряжение к каналу подводится через исток (И) и сток (С). Полярность прикладываемого напряжения (E_с) определяется типом канала и она должна быть такой, чтобы основные носители канала двигались от истока к стоку. На рисунок 3.21 полевой транзистор имеет канал типа–n, где основными носителями являются электроны, поэтому отрицательный потенциал источника (E_с) должен быть приложен к истоку, а положительный к стоку.

Напряжение затвора (E_з) прикладывается относительно истока (рисунок3.21) так, чтобы p–n переход, образуемый между затвором и каналом был под обратным напряжением. Поэтому к затвору прикладывается отрицательный потенциал затворного источника (E_з), а к истоку – положительный потенциал. Обратное напряжение на p–n переходе затвор – канал ведет к возникновению запирающего слоя, толщина которого увеличивается с увеличением обратного напряжения. При различном уровне легирования полупроводников (имеющих различную плотность основных носителей зарядов) увеличение толщины запирающего слоя происходит преобладающе в сторону менее легированного полупроводника. Выше было сказано, что полупроводник канала менее легирован, чем полупроводник затвора, поэтому при увеличении обратного напряжения запирающий слой в основном распространяется в сторону канала (рисунок 3.21). Это приводит к уменьшению сечения канала, что вызывает увеличение его сопротивления. Последнее вызывает уменьшение тока стока. Очевидно, что уменьшение обратного напряжения на затворе ведет к уменьшению толщины запирающего слоя, что вызывает увеличение сечения канала, а, значит, к уменьшению его сопротивления и увеличению тока стока. Таков механизм управления током стока в полевом транзисторе с управляемым p–n переходом.

Следует особо сказать, что в полевом транзисторе с управляемым p–n переходе нельзя подавать на затвор прямое напряжение, т. к. это вызовет большой ток, что приведет к тепловому пробою (перегоранию) p–n перехода.

Полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом – схема его включения представлена на рисунок 3.22.

Рисунок 3.22 – Схема включения МОП транзистора

с встроенным каналом

К каналу, как и в выше рассмотренном транзисторе, прикладывается напряжение (Е_с) полярностью, при которой создаётся условие движения основных носителей заряда от истока к стоку, т.е. минус на истоке и плюс на стоке. На затвор напряжение (Е_з) прикладывается относительно истока. В этом транзисторе к затвору прикладывается напряжение различных полярностей. Рассмотрим каждый из случаев. Когда на затворе минус а на истоке плюс, то в канале на участке затвор – исток этим напряжением создаётся электрическое поле препятствующее движению электронов от истока к стоку. В результате скорость движения электронов уменьшается, что ведёт к уменьшению тока стока. Чем больше отрицательный потенциал на затворе, тем меньше ток стока. Такой режим называется режимом обеднения канала. При изменении полярности на затворе – плюс на затворе и минус на истоке (полярность в скобках), на участке канала исток – затвор создаётся электрическое поле, которое способствует увеличению скорости движения электронов в канале, а, значит, к увеличению тока истока. Такой режим называется режимом обогащения канала.

В процессе работы транзистора некоторая часть электронов диффундирует в подложку. Чтобы там не создавался объёмный заряд, к подложке подсоединена контактная пластина, которая соединена с истоком для возвращения электронов в исток.

Полевой транзистор с изолированным затвором и с индуцированным каналом – схема его включения представлена на рисунок 3.23.

Рисунок 3.23 – Схема включения МОП транзистора

с индуцированным каналом

Особенностью его конструкции является, как отмечалось, отсутствие физического соединения между истоком и стоком, т.е. в исходном состоянии в этом транзисторе канал отсутствует. Сравнивая с предыдущим транзистором (рисунок 3.22) видно, что напряжения подключены совершенно одинаково. При подключении стокового источника (Е_с) между истоком и стоком появляется электрическое поле, которое вызывает движение электронов из истока к стоку. В результате в подложке между истоком и стоком создаётся область с движущимися электронами (показано пунктиром), т.е. создаётся (индуцируется) канал. Из-за очень низкой легированности подложки лишь не значительная часть электронов рекомбинирует. Некоторая часть электронов дифиндирует в подложку, создавая объёмный заряд. Устранение его, как и выше, осуществляется через контактную пластину, соединённую с истоком. В этом транзисторе, как и в рассмотренном выше, имеют место два режима – обеднения и обогащения.