1.6. Польові транзнстори

На відміну від біполярних польові транзистори є уніполярними на­півпровідниковими приладами, оскільки протікання в них струму об­умовлено дрейфом носіїв заряду одного знака в поздовжньому елек­тричному полі через керований канал р- або n-типу. Керування стру­мом через прилад здійснюється поперечним електричним полем (а не струмом, як в біполярних транзисторах), про що свідчить сам термін «польові транзистори». Таким чином, принцип роботи польового тран­зистора в загальних рисах грунтується на тому, що зміна напруженості поперечного електричного поля змінює провідність каналу, по якому протікає струм вихідного кола.

У пристроях промислової електроніки застосовуються дві різно­видності польових транзисторів: із затвором у вигляді p-n-перехо­ду та з ізольованим затвором. Принцип роботи, характеристики та параметри обох різновидів однакові.

Рис. 1.20

Польові транзистори з керуючим р-n-переходом. Розглянемо принцип роботи польового транзистора площинної конструкції з за­твором у вигляді p-n-переходу (рис. 1.20, а), схема ввімкнення яко­го із загальним витоком показана на рис. 1 .20, б.

Прилад складається з пластини кремнію з електропровідністю n-типу, що являє собою канал польового транзистора, до торців якої приєднані два металічних контакти, що називаються витік і стік. Послідовно до цих електродів подається напруга джерела живлення Е_D і опір навантаження. Напруга джерела живлення має таку полярність, щоб потік основних носіїв заряду (в каналі n-типу електронів) пе­реміщувався від витоку до стоку. На протилежні грані пластини вве­дені акцепторні домішки, що перетворюють поверхневі шари її в об­ласті напівпровідника р-типу. З'єднані електрично разом, ці шари створюють єдиний електрод, який називають затвором. При цьому між каналом та затвором створюються два р-n-переходи.

Рис. 1.21

Провідність каналу визначається його перерізом. Змінюю­чи напругу на затворі U_DS , що зміщує при вказаній на рис. 1.20, а полярності джерела Е_D переходи в зворотному напрямі, мож­на змінювати переріз каналу (за рахунок розширення або звуження збіднених шарів переходів), а отже, опір каналу та протікаючий через нього струм. При U_GS = 0 струм стоку I_D в каналі має мак­симальне значення I_{D sаt} (струм стоку насичення, рис. 1.21, а), оскіль­ки переріз каналу максимальний. При збільшенні зворотної напруги U_GS збіднені шари p-n-переходів розширюються, зменшуючи пе­реріз каналу, через який протікає струм між витоком та стоком. При напрузі відсікання U_GS0 переріз каналу зменшується практично до нуля, і струм I_D припиняється. При цьому витік і стік ізольовані один від одного. Розглянуті процеси ілюструє стокзатворна ха­рактеристика (рис. 1.21, а). Таким чином, ке­рування струмом стоку (основного кола) майже безструмне, оскіль­ки на затвор подається зворотна напруга і через нього протікає лише зворотний струм р-n-переходу.

На рис. 1.21, б показана сім'я стокових вихідних характеристик . Розглянемо характеристику сім’ї при напрузі на затворі U_GS = 0. При подачі на стік позитивної відносно витоку напруги (рис. 1.21, 6) і її збільшенні струм стоку зростає за нелінійним законом. Нелінійний характер струму стоку пояснюється тим, що із зростанням напруги U_DS , яка зміщує р-n-переходи та­кож в зворотному напрямі, переріз каналу зменшується, причому тим більше, чим ближче до стоку, оскільки спад напруги в каналі за рахунок струму стоку росте від U_DS (0) = 0 на витоку до U_DS на стоку. При цьому провідність каналу зменшується і зростання струму сповільнюється. Коли напруга на стоку досягає рівня так званої напруги насичення U_DS = U_{DS sаt} , відбувається повне пере­криття збідненими шарами каналу на стоку (у витоку переріз кана­лу залишається попереднім, оскільки U_DS (0) = 0). При цьому по­дальше збільшення U_DS приводить до слабкого з6ільшення струму стоку, оскільки одночасно збільшується опір каналу, а струм стоку досягає значення струму насичення I_{D sаt} . Очевидно, що при U_GS = 0 U_{DS sаt} = U_GS0 . Режим пологої ділянки вольт-амперної характеристи­ки називають режимом насичення.

За умови |U_GS | > 0 під дією двох напруг U_GS та U_DS розши­рюються збіднені шари і зменшується переріз каналу, напруга на­сичення зменшується і для будь-якого значення напруги на затворі U_GS становить

U_{DS sаt} = U_GS0 - U_GS .

Зі зменшенням напруги U_{DS sаt} зменшується також струм на­сичення І_{D sаt} стоку. В робочому режимі використовують пологі ді­лянки вихідних характеристик. За умови великих напруг на стоку настає пробій структури. Тому в робочому режимі перевищення максимально допустимої напруги стоку неприпустиме.

Основні параметри польового транзистора такі:

крутість характеристики керування

що характеризує підсилювальні властивості приладу . Числові зна­чення цього параметра становлять 0,1 ... 10 мА/В;

внутрішній опір транзистора

Оскільки на пологих ділянках вихідних характеристик (ділянка наси­чення) струм стоку змінюється дуже мало, то цей параметр має значен­ня сотень кілоом - одиниць мегаом;

вхідний опір

Він являє собою диференційний опір p-n-переходу, зміщеного в зво­ротному напрямі. Оскільки струм затвору І_G визначається зворот­ним струмом переходу, то вхідний опір польових транзисторів дуже великий: 10⁶...10⁹ Ом.

Крім вказаних параметрів, польові транзистори характеризуються граничною частотою f_S , на якій модуль крутизни характеристики ке­рування зменшується в раз, вхідною С_GS , прохідною С_GD та вихідною C_DS ємностями, а також допустимою потужністю розсіювання Р_т . Слід зазначити, що параметри польових транзисторів, як і інших напівпровідникових приладів, залежать від режиму роботи, температури, а також від геометрії елементів структури.

Польові транзистори з ізольованим затвором. На відміну від польо­вих транзисторів із затвором у вигляді p-п-переходу у польових транзисторів з ізольованим затвором між металічним затвором і областю напівпровідника є шар діелектрика (МДН-транзистори). Ос­кільки як діелектрик звичайно використовують двооксид кремнію SiO₂, то транзистори із структурою метал-оксид-напівпровідник називають МОН-транзисторами. В них підкладку роблять із слаболегованої кремнієвої напівпровідникової пластинки, яка має провідність n- або р-типу. Є дві різновидності МОН-транзисторів: із вбудо­ваним (рис. 1.22, а) та наведеним (рис. 1.22, 6) каналами.

Рис. 1.22

В процесі окислення на поверхні пластинки створюється тонкий 0,2-0,3 мкм шар двооксиду кремнію. Через отвори в діелектрику в тілі підкладки створюються дві сильнолеговані області, що мають провідність протилежного типу по відношенню до провідності підкладки (в даному випадку n⁺-типу). Домішка через отвори вводиться мето­дом дифузії. Одержані сильнолеговані області обладнуються зовнішніми виводами і використовуються як витік S та стік D, віддаль між якими порядку 5 ... 10 мкм. Контакти електродів виготовляють техно­логічними методами, що запобігають ефекту випрямлення у переходах. Над шаром двоокису кремнію між витоком і стоком наносять мета­лічний шар, від якого зроблено вивід, що використовується як затвор G. Діелектрик між затвором і вбудованим або наведеним каналами в МОН-транзисторі знімає обмеження на полярність напруги на затворі, характерне для польових транзисторів з керуючим p-n-переходом .

Підкладка в робочому режимі з’єднується, як правило, з витоком, однак може бути використана як додатковий керуючий електрод.

Тонкий поверхневий канал для струму основних носіїв заряду між витоком і стоком в МОН-транзисторі з вбудованим каналом (рис. 1.22, а) створюється штучно або виникає природно в результаті контактних явищ на межі напівпровідника з діелектриком. Тип провідності каналу збігається з типом провідності витоку і стоку. За наявності напруги між витоком і стоком струм у колі стоку (каналу) I_D буде протікати навіть при нульовому зміщенні на затворі U_GS = 0 (див. стокзатворну та вихідну вольт-амперні характеристики, рис. 1.23, а, б). Якщо до затвору відносно витоку і підкладки приклас­ти від'ємну напругу, то дірки з підкладки втягуватимуться в канал, а електрони виштовхуватимуться. Провідність каналу, що позбавле­ний частини основних носіїв, зменшується, в результаті чого знижуєть­ся струм стоку (режим збіднення). За U_GS = U_GS0 природний канал вникає, і струм стоку дорівнює нулю (рис. 1.23, а). Позитивне зміщення на затворі (U_GS > 0) викликає приток у канал основних носіїв заряду (електронів), в результаті чого зростає струм стоку. Такий ре­жим роботи МОН-транзистора називається режимом збагачення.

Рис. 1.23

Отже, МОН-транзистор з вбудованим каналом за своїми властивостями та характеристиками подібний до польового транзистора з керу­ючим p-n-переходом і відрізняється лише тим, що для його закриття потрібне негативне зміщення у випадку каналу з провідністю n-типу і позитивне зміщення - у випадку провідності р-типу.

У МОН-транзистора з наведеним каналом (рис. 1.22, б) за відсут­ністю зміщення на затворі канал відсутній і струм стоку I_D практич­но дорівнює нулю. За деякої позитивної (для транзисторів з n-підклад­кою - негативної) відносно витоку напруги на затворі, що називається пороговою U_В0 , в поверхневому шарі між витоком і стоком через наявність діелектрика SіО₂ відбувається явище інверсії. В результаті створюється тонкий канал інверсійного шару, товщина якого і питома провідність для основних носіїв заряду збільшуються із зростанням напруги на затворі. Якщо при цьому до стоку прикласти напругу такої ж полярності, як і на затворі, то струм стоку I_D зі збільшенням напруги U_GS зростає (див. стокзатворну та вихідну характеристики, рис. 1.23, в, г). Напругу U_В0 можна трактувати як напругу відсікан­ня U_GS0 польового транзистора з керуючим p-n-переходом (див. рис. 1.21, а). За зовнішнім виглядом вихідні вольт-амперні характе­ристики МОН-транзистора (рис. 1.23, 6, г) аналогічні одноіменним характеристикам польового транзистора з керуючим p-n-переходом (рис. 1.21, б).

Відсутність струму стоку при нульовому зміщенні на затворі, а також однакова полярність напруги на затворі та стоку в МОН-тран­зисторів з індукованим каналом є сприятливою передумовою для по­будови високоекономічних імпульсних схем. При використанні МОН-­транзисторів в аналогових пристроях орієнтуються на їх дуже великий вхідний опір, що досягає через наявність шару діелектрика 10¹⁵ Ом.

Параметри польових транзисторів з ізольованим затвором в першому наближенні такі, як і в транзисторів з керуючим р-п-переходом. Полярність робочих напруг на електродах для різних типів польових транзисторів вказані в табл. 1.1.

Таблиця 1.1. Полярність робочої напруги на електродах польових транзисторів

Тип транзистора	Тип каналу	Тип підкладки	Режим роботи	UGS	UDS	UGS0
З керуючим p-n-переходом	p n	N P	збіднення	>0 <0	<0 >0	>0 <0
МОН-структура з вбудованим каналом	p n	N P	збіднення збагачення збіднення збагачення	>0 <0 <0 >0	<0 >0	>0 <0
МОН-структура з наведеним каналом	p n	N P	збагачення	<0 >0	<0 >0	<0 >0