1.2.3. Полевые транзисторы

Общая характеристика полевых транзисторов

Работа полевых транзисторов основана на модуляции сопротивления полупроводника электрическим полем.

Различают полевые транзисторы с p-n-переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором. Транзисторы с изолированным затвором, в свою очередь, делятся на транзисторы с индуцированным каналом и со встроенным каналом. Все виды полевых транзисторов бывают с каналом p-типа и с каналом n-типа. Условные графические обозначения различных типов полевых транзисторов показаны на рис. 11.

Рис. 11. Условные графические обозначения различных типов полевых транзисторов: а, г – с p-n–переходом; б, д – с изолированным затвором и индуцированным каналом; в, е – с изолированным затвором и встроенным каналом; а, б, в – с каналом n-типа; г, д, е – с каналом p – типа

Полевые транзисторы с p-n-переходом

Структура полевого транзистора с p-n–переходом и каналом n-типа, показана на рис. 12.

Рис. 12. Структура полевого транзистора с p-n–переходом и каналом n-типа

При отсутствии напряжения между затвором и истоком промежуток сток – исток (канал) обладает примесной электропроводностью, и если к нему приложить напряжение, то в цепи сток – исток будет протекать ток. Если на затвор относительно истока подать напряжение, смещающее переходы между затвором и каналом в обратном направлении, то область канала будет сужаться за счет вытеснения носителей заряда электрическим полем. При этом сопротивление канала будет возрастать. При определенном напряжении затвор – исток область, обеденная носителями заряда, полностью перекроет канал и ток между стоком и истоком практически прекратится. Это напряжение, измеренное при , называется напряжением отсечки .

Ширина p-n-перехода также зависит от тока, протекающего через канал. Поскольку сопротивление канала достаточно велико, протекающий через него ток стока создает вдоль его длины падение напряжения. В результате проводимость канала от истока к стоку будет уменьшаться. У края p-n–перехода, расположенного возле истока, будет действовать напряжение , а у края, расположенного возле стока, – . В результате при малых значениях и полевой транзистор ведет себя как линейное сопротивление.

По мере увеличения напряжения характеристика все сильнее отклоняется от линейной и при определенном значении уже практически не зависит от . Это напряжение называется напряжением насыщения и зависит от напряжения :

. (18)

Зависимость тока стока полевого транзистора с p-n-переходом от напряжения на его электродах можно описать зависимостью

, (19)

где - сопротивление канала открытого транзистора (т.е. при и ).

При построении усилителей стремятся обеспечить работу полевого транзистора в режиме насыщения. В этом случае, подставляя в (19) значение из (18), получим

. (20)

Поскольку по условиям работы переход затвор – канал всегда смещен в обратном направлении, полевой транзистор обладает высоким входным сопротивлением.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

Структуры полевых транзисторов с изолированным затвором показаны на рис.6.3. Поскольку в них затвор отделен от остальных электродов слоем диэлектрика (чаще всего это слой оксида кремния), такие транзисторы также называют МДП– (металл – диэлектрик – полупроводник) или МОП– (металл – окисел – полупроводник) транзисторами. В зарубежной литературе для обозначения полевых транзисторов с изолированным затвором используют аббревиатуру MOSFET.

Рис. 13. Структуры полевых транзисторов с изолированным затвором

В транзисторе с индуцированным каналом (рис. 13, а) при отсутствии напряжения затвор – исток ток между истоком и стоком не протекает, поскольку хотя бы один из двух p-n-переходов между истоком и стоком закрыт. При отрицательном напряжении затвор исток (для транзистора с каналом р-типа на рис. 13, а) электрическое поле вытесняет из подзатворной области основные носители заряда (электроны) и притягивает неосновные (дырки). В результате при определенном пороговом напряжении в области под затвором образуется слой с инверсной проводимостью, т.е. проводимостью тип которой противоположен типу полупроводника. Между истоком и стоком появляется канал, по которому может протекать ток. С ростом отрицательного напряжения толщина инверсного слоя возрастает, и сопротивление канала уменьшается.

В транзисторе со встроенным каналом (рис. 13, б) проводящий канал сформирован изначально, поэтому даже при нулевом напряжении затвор – исток между стоком и истоком может протекать ток. При положительном напряжении затвор – исток (для транзистора с каналом р-типа, показанного на рис. 13, б) в область канала из подложки притягиваются электроны. За счет рекомбинации концентрация носителей заряда в канале уменьшается и его сопротивление возрастает. При напряжении затвор – исток, большем определенного значения ( ), слой с проводимостью p-типа практически исчезает, и транзистор закрывается. При отрицательном напряжении на затворе область p-типа расширяется за счет притяжения из подложки неосновных носителей заряда, т.е. дырок, и его сопротивление уменьшается.

Для транзисторов с изолированным затвором и индуцированным каналом ток стока в начальной области будет определяться зависимостью

. (21)

Для напряжения насыщения справедлива зависимость

. (22)

Подставляя из (22) в (21), получим характеристики области насыщения:

. (23)

Для полевых транзисторов с изолированным затвором и встроенным каналом ток стока в области насыщения определяется по уравнению

, (24)

где - начальный ток стока, т.е. ток стока при .

Характеристики полевых транзисторов

Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов различного типа показаны на рис. 14.

Транзисторы с изолированным затвором обладают очень большим входным сопротивлением, достигающим сотен мегаом. Высокое входное сопротивление позволяет усиливать сигналы очень малой мощности, но делает такие транзисторы очень чувствительными к статическому электричеству, поскольку тонкий слой диэлектрика между затвором и каналом легко пробивается.

Рис. 14. Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов: 1 – с p-n-переходом; 2 - с изолированным затвором и встроенным каналом; 3 - с изолированным затвором и индуцированным каналом

Усилительные свойства полевых транзисторов характеризуются крутизной . Емкости и характеризуют межэлектродные емкости затвор – исток и затвор – сток, уменьшающие входное сопротивление и усиление транзистора на высоких частотах. Сопротивления и характеризуют дифференциальное сопротивление обратно смещенного p-n-перехода в транзисторе с p-n-переходом. Для МОП-транзисторов величина сопротивлений и стремится к бесконечности и их не учитывают. При анализе работы схем на транзисторах с p-n-переходом этими сопротивлениями также часто пренебрегают. Сопротивление представляет собой дифференциальное сопротивление канала транзистора. Сопротивления и обусловлены омическим сопротивлением областей, прилегающих к электродам истока и стока соответственно. Сопротивления и малы, поэтому ими, как правило, пренебрегают. При анализе работы транзистора в активном режиме ёмкостью сток – исток также пренебрегают, поскольку она шунтируется малым сопротивлением открытого канала.

Полевой транзистор, как и биполярный, также можно представить активным четырехполюсником. Поскольку входное и выходное сопротивления полевого транзистора велики, его удобнее характеризовать системой y-параметров.

Для схемы с общим истоком, пренебрегая сопротивлениями , , , и емкостью , выразим y-параметры через параметры физической эквивалентной схемы:

В отличие от биполярных, в полевых транзисторах всегда следует учитывать наличие входных емкостей [34].