2. Статические характеристики

Рассмотрим вольтамперные характеристики полевых транзисторов с р-n переходом. Для этих транзисторов представляют интерес два вида ВАХ: стоковые и стоко-затворные.

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с р-n переходом и каналом n- типа показаны на рис. 5.3, а. Они отражают зависимость тока стока от напряжения U_си при фиксированном напряжении U_зи, т.е. I_c = f(U_си) при U_зи = const.

Стоко-затворная характеристика полевого транзистора показывает зависимость тока I_с от напряжения U_зи при фиксированном напряжении U_си, т.е. I_c = f(U_зи) при U_си = const (рис. 5.3, б).

3. Основные параметры

• максимальный ток стока I_с.max (при U_зи = 0);

• максимальное напряжение сток-исток U_си.max;

• напряжение отсечки U_зи.отс;

• внутреннее (выходное) сопротивление r_i − представляет собой сопротивление транзистора между стоком и истоком (сопротивление канала) для переменного тока:

  при Uзи = const;

  (5.2)

• крутизна стоко-затворной характеристики:

при Uси = const,

(5.3)

отображает влияние напряжение U_зи на ток I_с транзистора, аналогично коэффициенту усиления биполярного транзистора;

• входное сопротивление транзистора

при Uси = const

(5.4)

определяется сопротивлением р-n переходов, смещенных в обратном направлении. Входное сопротивление полевых транзисторов с р-n переходом довольно велико (достигает единиц и десятков МОм), что выгодно отличает их от биполярных транзисторов. При этом ток затвора (обратный ток р-n перехода) настолько мал, что им пренебрегают.

2. Полевые транзисторы с изолированным затвором

   1. Устройство и принцип действия

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-транзистор) – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

МДП-транзисторы выполняются из кремния на основе структуры металл-диэлектрик-полупроводник. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO₂. Отсюда другое название этих транзисторов – МОП-транзисторы (структура: металл-окисел-полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает их высокое входное сопротивление (10¹² … 10¹⁴ Ом).

Международное название МДП-транзисторов –  MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).

Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП-транзисторы выполняют двух типов – со встроенным и с индуцированным каналом.

Рассмотрим особенности МДП-транзисторов со встроенным каналом. Конструкция такого транзистора с каналом n-типа показана на рис. 5.4, а. В исходной пластине кремния р-типа с высоким удельным сопротивлением, которую называют подложкой, конструктивно созданы (встроены) две области n-типа электропроводности. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод – затвор. Наличие слоя диэлектрика позволяет в транзисторе со встроенным каналом подавать на затвор управляющее напряжение обеих полярностей.

При подаче на затвор положительного напряжения создается электрическое поле, которое будет выталкивать дырки из канала в подложку, а электроны вытягивать из подложки в канал. Канал обогащается основными носителями заряда – электронами, его проводимость увеличивается, и ток I_с возрастает. Такой режим работы транзистора называют режимом обогащения.

При подаче на затвор напряжения отрицательного относительно истока, в канале создается электрическое поле, под влиянием которого электроны выталкиваются из канала в подложку, а дырки втягиваются из подложки в канал. Канал обедняется, т.к. число основных носителей заряда уменьшается, его проводимость уменьшается, что приводит к уменьшению тока I_с. Такой режим работы транзистора называют режимом обеднения.

Если напряжение на затворе U_зи = 0, (при наличии напряжения U_си  0), по каналу протекает ток стока I_с.нач, называемый начальным.

Конструкция МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис. 5.5, а).

Канал в таких транзисторах конструктивно не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из подложки в случае приложения к затвору напряжения U_зи положительной полярности относительно истока. При отсутствии этого напряжения канал также отсутствует, т.к. между истоком и стоком n-типа расположен только кристалл р-типа и на одном из р-n переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между истоком и стоком очень велико – транзистор заперт.

Но если подать на затвор положительное напряжение, то под влиянием поля затвора электроны будут перемещаться из областей истока и стока и из р- области (подложки) по направлению к затвору. Когда напряжение затвора превысит пороговое значение U_зи.пор, то в приповерхностном слое концентрация электронов превысит концентрацию дырок, что равноценно инверсии типа электропроводности, т.е. индуцируется токопроводящий канал n-типа, соединяющий области истока и стока, транзистор начинает проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока. Таким образом, транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения.