6. Полевые транзисторы

1. Общие сведения и особенности транзисторов

Полевой транзистор (ПТ) – это активный полупроводниковый прибор, в котором управление выходным током осуществляется путем изменения проводимости токопроводящей области (канала) с помощью поперечного электрического поля.

Особенности полевых транзисторов.

1. Транзистор является униполярным прибором, так как ток в проводящей области (канале) создается носителями заряда одного знака (основными носителями).

2. Основные носители заряда дрейфуют вдоль канала от истока к стоку под действием продольного электрического поля. Выходные параметры транзистора определяются каналом, поэтому эту структуру называют канальным транзистором.

3. Цепь управления транзистора (затвор) изолирована от токопроводящего слоя (канала) обратно смещенным p-n-переходом или диэлектриком. Область затвор-канал представляет собой конденсаторную структуру, поэтому транзистор имеет высокое входное сопротивление (10⁸...10¹⁰ Ом) на постоянном токе.

4. В транзисторе реализован полевой принцип управления. Проводимость канала изменяется под действием поперечного электрического поля.

5. Полевой транзистор имеет принципиально более низкий уровень низкочастотных шумов, так как в нем отсутствуют процессы инжекции и поверхностные рекомбинационные явления.

Классификация полевых транзисторов.

Типы полевых транзисторов отличаются структурой управляющей области затвор-канал. Существуют два основных вида транзисторов:

• полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом (1952г.);

• полевые транзисторы с изолированным затвором, т.е. МОП-транзисторы или МДП-транзисторы (1960г. – Д. Кинг, М. Аталла).

Полевые транзисторы с управляющим переходом выполняются на основе p-n-перехода или перехода металл-полупроводник (Шотки) – МЕП-транзистор.

МОП-транзисторы реализуются в виде двух типов: со встроенным каналом и с индуцированным каналом.

Совокупность взаимодействующих МДП-структур, выполненных по интегральной технологии, представляют собой прибор с зарядовой связью (ПЗС). ПЗС-структуры представляют собой дальнейшее развитие технологии приборов с полевым принципом управления.

Базовым элементом запоминающих устройств является МНОП-структура (металл-нитрид-оксид-полупроводник), а также МОП-структура с плавающим затвором.

Полевой принцип управления реализуется также в мощных переключательных транзисторах Power MOSFET – полевой транзистор с вертикальным каналом.

Объединение биполярной структуры с полевым принципом управления нашло свое отражение в биполярных транзисторах с изолированным затвором – IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors).

Структура типового полевого транзистора содержит следующие элементы:

Канал – полупроводниковая подзатворная область, в которой регулируется поток основных носителей заряда;

Исток – область, из которой носители заряда поступают (истекают) в канал;

Сток – область, в которую заряды входят (стекают) из канала;

Затвор – полупроводниковая или металлическая область, предназначенная для управления потоком носителей заряда в канале;

Подложка – пассивная полупроводниковая область, на которой изготавливается структура транзистора.

Канал связывает между собой сток и исток, обычно является менее легированной областью в сравнении с областями стока и истока. Основная часть структуры транзистора исток-канал-сток не содержит разделяющих их электрических переходов.

Механизм изменения проводимости канала.

Управляющее напряжение, подаваемое на затвор, приводит к изменению проводимости подзатворной области (канала). Формула объемного сопротивления канала

,

где ,

определяет следующие варианты регулирования:

• изменение геометрических размеров канала ( );

• изменение концентрации основных носителей заряда в канале (n);

• инверсия типа проводимости подзатворной области с последующим изменением концентрации подвижных носителей заряда.

Направление изменение концентрации зарядов определяет возможные режимы работы транзистора: обогащение (увеличение концентрации), обеднение (уменьшение концентрации).