Полевые транзисторы

Полевые транзисторы.
Полевым транзистором называют прибор, в котором ток через канал
управляется электрическим полем, возникающим с приложением
напряжения между затвором и истоком. В полевом транзисторе носители
заряда одного знака (электроны или дырки) проходят по
полупроводниковому каналу.
Канал – это область в транзисторе, сопротивление которой зависит от
потенциала на затворе. Электрод, из которого в канал входят основные
носители заряда, называют истоком, а электрод, через который основные
носители заряда уходят из канала, - стоком. Электрод, служащий для
регулирования поперечного сечения канала, носит название затвора.
Полевые транзисторы изготовляют из кремния и в зависимости от
электропроводности исходного материала подразделяют на транзисторы с
каналами p- и n- типов. Классификация и условное обозначение полевых
транзисторов приведены в таблице.
Таблица. Классификация и условное обозначение полевых транзисторов.
Рассмотрим типы полевых транзисторов.
Полевой транзистор с затвором в виде p-n- перехода –
полупроводниковый прибор, в котором проводимостью канала можно
управлять, подавая напряжение на закрытый р-n- переход. Структурная
схема и схема включения полевого транзистора с каналом n- типа и затвором
р-n- перехода приведены на рисунке а,б.
Рисунок. Структурная схема (а) и схема включения (б) полевого транзистора с каналом n- типа и
затвором в виде р-n-перехода. 1- исток; 2- затвор;3- канал; 5- сток.
В транзисторе с каналом n-типа основными носителями заряда в канале
являются электроны, которые движутся вдоль канала от истока и с низким
потенциалом к стоку и более высоким потенциалом, образуя ток стока Ic.
Между затвором и истоком приложено напряжение, запирающее р-nпереход, образованный n- областью канала и р- областью затвора. Таким
образом, в полевом транзисторе с каналом n- типа полярности приложенных
напряжений следующие: Uси>0, Uзи<0. В транзисторе с каналом р-типа
основными носителями заряда в канале являются дырки, которые движутся в
направлении понижения потенциала, поэтому Uси<0, Uзи>0.
Рассмотрим более подробно работу полевого транзистора с каналом nтипа. Транзисторы с каналом р-типа работают аналогично.
На рисунке показано как происходит изменение поперечного сечения
канала из-за модуляции ширины запирающего слоя при подаче напряжений
между электродами транзистора. При подаче запирающего напряжения на рn-переход между затвором и каналом (рисунок а), на границах канала
возникают равномерные слои, обедненные носителями зарядов и
обладающие высоким удельным сопротивлением, что приводит к
уменьшению проводящей ширины канала.
Рисунок. Перекрытие канала полевого транзистора при различных напряжениях на электродах.
Напряжение, приложенное между стоком и истоком (рисунок б), вызывает
появление неравномерного обедненного слоя, так как разность потенциалов
между затвором и каналом увеличивается в направлении от истока к стоку и
наименьшее сечение канала расположено вблизи стока.
Если одновременно подать напряжения Uси>0 и Uзи<0 (рисунок в), то
толщина обедненного слоя, а следовательно, и сечение канала будут
определяться действием этих двух напряжений. При этом минимальное
сечение канала будет определяться их суммой: Uси+|Uзи|.
Когда суммарное напряжение достигнет напряжения запирания Uси+|Uзи|=
Uзап, обедненные области сомкнутся, ширина канала уменьшится до
капилляра и динамическое сопротивление канала резко возрастёт.
Описанный принцип работы полевого транзистора позволяет объяснить
его вольт – амперные характеристики (рисунок).
Зависимости тока стока Ic от напряжения Uси при постоянном напряжении
на затворе Uзи определяют выходные, или стоковые, характеристики полевого
транзистора.
Рисунок. Вольт – амперная характеристика полевого транзистора с каналом n- типа выходным.
На начальном участке характеристик Uси+|Uзи|<Uзап и ток стока Ic
возрастает с повышением напряжения Uси. При повышении напряжения сток
– исток до величины Uси= Uзап-Uзи происходит смыкание канала и рост тока
стока Ic прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение,
приложенное к затвору транзистора, смещает момент перекрытия канала в
сторону меньших значений напряжения Uси и тока стока Ic. Дальнейшее
повышение напряжения Uси приводит к пробою р-n- перехода между
затвором и каналом и выходу транзистора из строя.
Полевой транзистор с изолированным затвором – полупроводниковый
прибор, в котором для дальнейшего уменьшения тока утечки затвора Iз
между металлическим затвором и каналом находится тонкий слой
диэлектрика, обычно окись кремния, а р-n- переход отсутствует. Такие
полевые транзисторы часто называют МОП – транзисторами (структура
металл – диэлектрик – полупроводник).
Вольт – амперные характеристики транзисторов с изолированным
затвором в основном аналогичны их характеристикам с затвором в виде р-nперехода. В то же время изолированный затвор позволяет работать в области
положительных напряжений на затворе Uзи>0, в которой происходит
расширение канала и увеличение тока стока Iс.
Таблица. Параметры полевых транзисторов.