От чего зависит крутизна мдп транзистора

2.5. Статические параметры мдп транзистора Крутизна вольт-амперной характеристики

Усилительные свойства МДП транзистора характеризуются крутизной S передаточной характеристики (рис. 2.10), которая выражает изменение тока от изменения входного напряжения:

В пологой области вольт-амперной характеристики крутизна равна

Крутизна в этой области может быть увеличена одним из двух способов: либо уменьшением напряжения на затворе, либо изменением геометрии прибора — отношения ширины канала к его длине. (Типичные значения крутизны для МДП транзисторов лежат в пределах 0,5—2,0 мА/В.)

Внутреннее, или динамическое, сопротивление

Внутреннее (динамическое) сопротивление R_i определяется выражением

В пологой области характеристики R_i =→; в реальных приборах R_i = 40—100 кОм. В крутой области

Сопротивление затвора

Сопротивление затвора R_з является функцией напряжения на затворе V_з, напряжения на стоке V_s, порогового напряжения V_пор и имеет значение 10 10 – 10 15 Ом.

2.6. Частотные свойства мдп транзистора

Качество приборов, управляемых напряжением, определяется отношением крутизны S и входной емкости С_вх затвора прибора. По нему можно оценить полосу пропускания прибора Δf:

Полоса пропускания зависит только от длины канала и не зависит от его ширины, так как увеличение ширины канала в одинаковой степени повышает емкость прибора и его крутизну. В реальных приборах предельная рабочая частота ограничена величиной в несколько сотен мегагерц.

3. Соединения и контактные площадки

Элементы ИМС электрически соединены между собой с помощью алюминиевой разводки толщиной до 0,8 мкм. Когда в однослойной разводке не удается избежать пересечений, применяют диффузионные перемычки (рис. 3.1). Речь идет об изоляции двух взаимно перпендикулярных проводников, первый из которых размещен поверх защитного окисла, второй «подныривает» под него в виде участка n + -слоя. Этот участок имеет заметное сопротивление (3-5 Ом), вносит дополнительную паразитную емкость и занимает сравнительно большую площадь (для него требуется отдельная изолированная область), поэтому диффузионной перемычкой пользуются в исключительных случаях. Диффузионные перемычки не применяют в цепях питания, в которых протекают достаточно большие токи.

Рис. 3.1. Конструкция диффузионной перемычки

Контактные площадки

Контактные площадки (КП), располагаемые обычно по периферии полупроводникового кристалла служат для создания соединений полупроводниковой схемы с выводами корпуса с помощью золотых или алюминиевых проволочек методом термокомпрессии. Для КП используют тот же материал что и для создания разводки (чаще всего алюминий); КП формируют одновременно с созданием разводки. Для предотвращения замыканий КП на подложку в случае нарушения целостности окисла при термокомпрессии под каждой КП формируют изолированную область (за исключением КП, соединенных с проводниками имеющими контакт с подложкой). Конструкция КП приведена на рис. 2.2.

Рис. 3.2. Конструкция соединений (а) и контактной площадки (б) ИМС

2. Полевые транзисторы со структурой «металл-диэлектрик-полупроводник»

Полевые транзисторы со структурой «металл-диэлектрик-полупроводник» сокращенно называют МДП-транзисторами. Они могут быть двух типов: транзисторы с индуцированным каналом и транзисторы со встроенным каналом.

В первых из них канал возникает под действием управляющего напряжения, подаваемого между затвором и истоком. В отсутствие такого напряжения эти транзисторы закрыты (поэтому называются нормально закрытыми транзисторами). В случаях, когда такой транзистор используется в качестве нормально закрытого электронного ключа, управление им не потребует каких либо напряжений для постоянного смещения потенциала затвора. Однако, если организовать соответствующее смещение, транзистор будет работать в качестве линейного усилителя сигналов переменного напряжения.

В транзисторах второго типа проводящий канал создается в процессе их изготовления. Поэтому они являются нормально открытыми и могут усиливать переменный сигнал даже без смещения потенциала затвора. Если транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения канала свободными носителями тока необходимого вида, то транзисторы со встроенным каналом способны работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. По сравнению с исходным состоянием сопротивление канала этих транзисторов может быть увеличено или уменьшено с помощью внешнего управляющего сигнала.

В МДП-транзисторах (в отличие от транзисторов с управляющим р-п-переходом) металлический затвор изолирован от канала в объеме полупроводника слоем диэлектрика. Кроме того, у МДП-транзисторов имеется еще и четвертый вывод, называемый подложкой (П).

МДП-транзисторы с индуцированным каналом.

Поскольку принципы действия транзисторов с каналами р-типа и п-типа качественно ничем не отличаются, здесь мы рассмотрим устройство и работу МДП-транзистора с индуцированным каналом одного типа — р-типа. Упрощенный вид полупроводниковой структуры такого транзистора показан на рис.7. Здесь С обозначает сток, И – исток, З – затвор, а П – подложку. В таких транзисторах управляющее напряжение можно подавать как между затвором и подложкой, так и независимо на подложку и затвор. В транзисто­рах с индуцированным каналом под влиянием образующегося электрического поля у поверхности полупроводника появляется канал р-типа. Это происходит вследствие инверсии типа проводимости и связано с отталкиванием электронов от поверхности полупроводника п-типа в глубинные области. Изменение управляющего напряжения меняет ширину канала и, соответственно, сопротивление и ток транзистора.

Существенным преимуществом МДП-транзисторов является высокое входное сопротивление, достигающее значений 10 10 — 10 14 Ом (для сравнения, у транзисторов с управляющим р-п-переходом R_вх=10 7 -10 9 Ом).

Очень часто в качестве исходного материала транзистора используют кремний, имеющий эле­ктропроводность п-типа. Роль диэлектрической пленки выпол­няет диоксид кремния SiO₂. Поэтому МДП-транзисторы иногда называют транзисторами со структурой «металл-окисел-полупроводник» (МОП-транзисторами). При отсутствии смещения (U_ЗИ = 0; U_СИ = 0; U_ИП = 0) приповерхностный слой полупроводника обыч­но обогащен электронами. Это объясняется на­личием положительно заряженных ионов в пленке диэлектрика, что является следствием предшествующего окисления кремния и фотолитографической его обработки, а также присутствием ловушек на границе Si — SiO₂. Напомним, что ловушки пред­ставляют собой совокупность энергетических уровней, рас­положенных глубоко в запрещенной зоне, близко к ее середине.

При подаче на затвор отрицательного напряжения U_ЗИ электроны приповерхностного слоя отталкиваются в глубь полупроводника, а дырки движутся к поверхности. Приповерх­ностный слой приобретает дырочную электропроводность. В нем появляется тонкий слой с инверсным типом проводимости, который выступает в качестве канала. Если между истоком и стоком приложено напряжение, то дырки, перемещаясь по каналу, создают ток стока. Путем изменения напряжения на затворе можно расширять или сужать канал и тем самым увеличивать или уменьшать сопротивление канала и, следовательно, ток стока.

Напряжение на затворе, при котором индуцируется канал, называют пороговым напряжением U_ЗИпор. Так как канал возникает постепенно, по мере увеличения напряжения на затворе, то для исключения неоднозначности в его определении обычно задается определенное значение тока стока, при превышении которого считается, что потенциал затвора достиг порогового напряжения U_ЗИпор.

По мере удаления от поверхности полупроводника концен­трация индуцированных дырок уменьшается. На расстоянии, приблизительно равном толщине канала, электропроводность становится собственной. Затем идет слой, обедненный основными носителями заряда (т.е. р-п-переход). Благодаря ему сток, исток и канал изолированы от подложки, поскольку р-п-переход смещен приложенным напряжением в обратном направлении. Очевидно, что его ширину и, следовательно, ширину канала можно изменять за счет подачи на подложку дополнительного напряжения относительно электродов стока и истока. Сле­довательно, током стока можно управлять не только пу­тем изменения напряжения на затворе, но и за счет из­менения напряжения на подложке. В последнем случае управ­ление МДП-транзистором аналогично управлению полевым транзистором с управляющим р-п-переходом.

Для образова­ния канала на затвор должно быть подано напряжение, большее U_ЗИпор. При этом толщина образующегося инверсного слоя оказывается значительно меньшей толщины обедненного слоя; если толщина обедненного слоя колеблется от сотен до тыся­ч нанометров, то толщина индуцированного канала составляет всего 1—5 нанометров. Другими словами, дырки индуцированного канала «прижаты» к поверхности полупроводника, поэтому структура и свойства границы полупроводник — диэлектрик играют в МДП-транзисторах очень важную роль.

Дырки, образующие канал, поступают в него не только из подложки п-типа (где их мало и генерируются они сравнительно медленно), но также и из слоев истока и стока, имеющих р-тип проводимости. Действительно, в объемах, прилегающих к электродам стока и истока, концентрация дырок практически неограниченна, а напряженность поля вблизи этих электродов достаточно велика.

Рассмотрим семейство выходных вольтамперных характеристик (ВАХ) рассматриваемого МДП-транзистора (см. рис.2).

На рис.8. видно, что каждый из графиков, соответствующий определенному значению напряжения U_ЗИ, имеет три участка: на начальном участке ток стока быстро возрастает (крутая или омическая область), затем идет слабая зависимость тока стока от напряжения U_СИ (пологая область или область насыщения токастока) и завершает график участок пробоя. Отметим, что в крутой области I МДП-транзистор может работать как электрически управляемое сопротивление. Пологая область II обычно ис­пользуется при построении усилительных каскадов. Иногда используют также область пробоя III (для создания релаксационных генераторов).

Можно заметить, что выходные ВАХ транзисторов рассматриваемого здесь вида похожи на выходные ВАХ полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом. Как и транзисторы с управляющим р-п-переходом, МДП-транзисторы при малых напряжениях U_СИ (в области I; рис. 8) ведут себя подобно линеаризованному управля­емому сопротивлению. При увеличении напряжения U_СИ ши­рина канала уменьшается вследствие падения на нем напряже­ния и изменения результирующего электрического поля. Это особенно сильно проявляется в той части канала, которая находится вблизи стока (рис. 9).

Перепады напряжения, создаваемые током I_C, приводят к неравномерному распределе­нию напряженности электрического поля вдоль канала, причем оно увеличивается по мере приближения к стоку. При напряже­нии U_{СИ нас} канал вблизи стока становится настолько узким, что наступает динамическое равновесие, при котором увеличение напряжения U_СИ вызывает уменьшение ширины канала и по­вышение его сопротивления. В итоге ток I_C мало меняется при дальнейшем увеличении напряжения U_СИ. Эти процессы изменения ширины канала в зависимости от напряжения U_СИ такие же, как и в полевых транзисторах с управляющим р-п-переходом.

Аналитичес­кие аппроксимации вольт-амперных характеристик МДП-тран­зисторов не очень удобны и мало применяются в инженерной практике. Поднако, при ориентировочных оценках тока стока в области насыщения можно использовать уравнение

, (11)

.

Управляющее действие подложки можно учесть путем введения коэффициента влияния по подложке

, (12)

называется крутизной характеристики на подложке. Она показывает, на сколько следовало бы изменить напряжение на затворе, чтобы при изменении напряжения подложки U_ПИ ток стока I_C остался неизменным. Если одновременно действуют напряжения на затворе и подложке, то в выражения (11) и (12) вместо U_ЗИ следует подставить

При использовании подложки в качестве управляющего электрода целесообразно рассматривать выходные характе­ристики, определенные специально при разных напряжениях на подложке. Они имеют вид, показанный на рис.10. Здесь видна аналогия с выходными ВАХ полевого транзистора с управляющим р-п-переходом (область пробоя на рис.10 не показана, но, естественно, в действительности она существует).

Усилительные свойства МДП-транзистора демонстрируют и стоко-затворные характеристики, которые наглядно показывают влияние на ток стока I_C напряжений U_ЗИ и U_ПИ (см. рис.11). На этом рисунке видно, что пороговое напряжение U_ЗИпор существенно зависит от напряжения на подложке.

Инерционные свойства МДП-транзисторов зависят от ско­рости движения носителей заряда в канале, а также от межэлектродных емкостей между стоком и истоком (С_си), между подложкой и истоком (С_пи) и между подложкой и стоком (С_пс). Кроме того, быстродействие транзисторов зависит от значений сопротивлений, через которые эти емкости заряжаются и разряжаются. При этом ввиду малого времени пробега носителей заряда через канал, который обычно имеет длину 0,1—5 мкм, влиянием последнего обычно пренебрегают.

При расчете схем, построенных на МДП-транзисторах с индуцированным каналом, используют эквивалентные схемы замещения этих транзисторов, в которых за инерционные свойства отвечают электрические емкости. На рис.12 показана одна из таких схем. Необходимо сказать, что значения емкостей, входящих в эквивалентную схему (например, в такую, что представлена на рис.12) не всегда известны. К тому же часть из них (в частности, С_пс и С_пи) меняется в зависимости от напряжений на электродах. Поэтому на практике часто измеряют входную емкость транзистора для схемы с общим истоком (С_11и), его выходную (С_22и) и проходную (С_12и) емкости.

Эти емкости характеризуют параметры полевого транзистора, который при заданном режиме измерения представлен эк­вивалентной схемой рис.13. Эта схема не очень точно отражает особен­ности транзистора, но ее параметры известны или легко могут быть измерены. Обычно значения емкостей схемы с рис.13 бывают следующими: входная емкость С_11и  1 — 5 пФ, проход­ная емкость С_12и = 0,22 пФ, выходная емкость С_22и = 2 — 6 пФ.

Кроме включения в эквивалентную схему транзистора межэлектродных емкостей, для учета инерционности используют частотную зависимость крутизны стоко-затворной характеристики. Операторное уравнение крутизны характеристики МДП-транзисторов имеет тот же вид, что и для полевых тран­зисторов с управляющим р-п-переходом:

, (14)

где  _гр   _З = 1/_З, и _З  R_СИоткрС₃. В типовом слу­чае при длине канала 5 мкм предельная частота, на ко­торой крутизна характеристики уменьшается в 0,7 раза, лежит в пределах нескольких сотен ме­гагерц.

Температурная зависимость порогового напряжения и на­пряжения отсечки обусловлена изменением положения уровня Ферми, изменением объемного заряда в обедненной области и влиянием температуры на значение заряда в диэлектрике. У МДП-транзисторов также можно найти термостабильную рабочую точку, в которой ток стока мало зависит от температуры. У разных транзисторов значение тока стока в термостабильной точке находится в пределах I_C = 0,05 — 0,5 мА. Важным преимуществом МДП-транзисторов перед биполярными является малое падение напряжения на них при коммутации малых сигналов. Так, если в биполярных тран­зисторах в режиме насыщения напряжение U_КЭ принципиально не может быть меньше нескольких десятков — сотен миливольт, то у МДП-транзисторов при малых токах I_C это падение напряже­ния (поскольку в этом случае транзистор работает в крутой области) мало и определяется током I_С и сопротивлением канала R_СИоткр:

U_СИ = I_СR_Сиоткр при  U_СИ    U_СИнас. (15)

При уменьшении I_C оно может быть сведено до значения, стремящегося к нулю.

Типовые схемы включения МДП-транзистора с индуцированным каналом р-типа показаны на рис.14. На этих схемах постоянное напряжение по U_см должно превышать пороговое. В противном случае канал не возникнет и транзистор будет заперт.

В реальных схемах напряжение смещения потенциала затвора создают без дополнительного источника питания. Для этого между истоком и общим проводом схемы включают сопротивление и емкость, соединенные параллельные. Постоянная интегрирования этой цепочки должна быть достаточно большой, чтобы не создавать отрицательной обратной связи по переменному току на частоте усиливаемого сигнала.

МДП-транзисторы со встроенным каналом.

Здесь, как и выше, мы рассмотрим транзистор с каналом только одного типа (р-типа), поскольку принципы действия транзисторов с каналами р- или п-типа одинаковы.

Полупроводниковая структура МДП-транзистора со встроенным каналом р-типа представлена на рис. 15.

Такой транзистор изготавливается из пластинки полупроводникового кристалла с невысоким уровнем легирования донорами, имеющего слабо выраженную проводимость п-типа. На одной из поверхностей пластинки методом высокотемпературной диффузии устраивают слой с повышенным содержанием донорной примеси (проводимость п + ). На поверхность этого слоя напыляют металлический слой (электрод подложки). На противоположной поверхности полупроводниковой пластинки методом локальной диффузии акцепторной примеси изготавливают две отделенные друг от друга области полупроводника с р + -типом проводимости (области стока и истока), а затем, также методом диффузии, между ними изготавливают тонкий слой канала, имеющий слабо выраженную проводимость р-типа.

Таким образом, стоковая и истоковая области оказываются связаными гальванически (между ними нет р-п-перехода). Между областямми с р-типом проводимости и основным объемом полупроводниковой пластинки (подложкой) образуется р—п-переход. На поверхности стоковой и истоковой областей напыляются металлические электроды, к которым припаиваются выводы стока и истока, соответственно. Поверхность полупроводниковой пластинки в месте нахождения канала покрывают слоем изолятора (диоксида кремния), а на этот слой напыляют металлический электрод (затвор). В зависимости от полярности напряжения между каналом и затвором происходит расширение или сужение встроенного канала и, следовательно, уменьшение или увеличение сопротивления канала.

Подчеркнем, что в транзисторах со встроенным каналом ток в цепи стока будет протекать и при нулевом напряжении на затворе. Для его прекращения необходимо к затвору приложить положитель­ное напряжение (при структуре с каналом р-типа), равное или большее напряжения отсечки U_{ЗИ отс}. При этом дырки из инверсного слоя будут вытеснены, практически полностью, вглубь полупроводника и канал исчезнет. При приложении отрицательного напряжения канал расширяется и ток увели­чивается. Следовательно, МДП-транзисторы со встроенными каналами работают как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения.

При ориентировочных оценках тока стока транзистора со встроенным каналом в области насыщения можно использовать уравнение

, (16)

.

Графики семейства выходных ВАХ МДП-транзистора со встроенным каналом отличается от соответствующих графиков МДП-транзисторов с индуцированным каналом лишь тем, что здесь напряжение U _ЗИ может принимать как положительные значения, так и отрицательные (см. рис.16). По форме и те и другие графики качественно идентичны. Здесь тоже имеются крутая (омическая) область I, область насыщения тока стока II и область пробоя канала транзистора в наиболее суженном месте, III.

Стокозатворная вольтамперная характеристика МДП-транзистора со встроенным каналом р-типа имеет вид, показанный на рис.17.

Стокозатворная ВАХ МДП-транзистора со встроенным каналом п-типа имеет вид, показанный на рис.18.

Для расчетов усилительных схем на МДП-транзисторах со встроенным каналом рекомендуется схема замещения транзистора, показанная на рис.19. В нее входят элементы: входную емкость транзистора в схеме с общим истоком (С_11и), его выходная емкость (С_22и), проходная емкость (С_12и), выходное дифференциальное сопротивление (R_{СИ диф}) и источник тока, определяющий усилительные свойства транзистора.

Статические, параметры МДП-транзистора

1. Крутизна S стокозатворной характеристики, определяющая усилительные свойства транзистора:

, при .

2. Дифференциальное сопротивление или сопротивление переменному току:

, при

Крутизна S в области насыщения (рабочая область харак­теристик транзистора, для режима усиления) может быть найдена из выражения (4.11):

(4.13)

Из (4.13) следует, что для получения высокой крутизны необ­ходимо увеличивать удельную емкость затвора (уменьшить — толщину диэлектрика), уменьшать длину канала L и увеличивать его ширину Кроме того, для увеличения крутизны необходима более высокая подвижность носителей заряда и, следовательно, тран­зистор с n -каналом, при всех прочих равных условиях, будет обладать большим значением крутизны.

Дифференциальное сопротивление в ненасыщенном режиме может быть найдено из выражения (4.9). В режиме насыщения, как это следует из (4.11), оказывается бесконечно большим. Однако для реального транзистора будет конечным, так как ток стока заметно возрастает при увеличении .

4.5. Статические характеристики реального МДП-транзистора

Статические выходные характеристики реального полевого тран­зистора с изолированным затвором приведены на рис.4.12.

Их отличие от идеализированных сос­тоит в том, что в режиме насыщения ток стока увеличивается с ростом напряжения . Это объясняется, во-первых, тем, что с увеличением напряже­ния происходит укорочение длины канала (рис.4.8) на величину

За счет уменьшения эффективной, длины канала ток стока увеличивается. Этот механизм аналогичен эффекту модуляции ширины базы в биполярном транзисторе.

Во-вторых, в области достаточно больших напряжений происходит быстрый рост тока, вызванный размножением носителей в канале за счет ударной ионизации и пробоем — перехода сток-подложка. Последнее вызывает резкий рост тока стока.

Важной особенностью МДП-транзисторов является пробой диэлектрика под затвором, приводящий к выходу транзистора из строя. Вследствие малой емкости затвора и высокого сопротивления изоля­ции пробой может наступить от накопления статического заряда при неправильном обращении с транзистором. Например, при толщине диэлектрика 0,1 мкм, пробивной напряженности поля и емкости 2 пФ для пробоя достаточен заряд Кл. Для исклю­чения возможности такого пробоя параллельно участку затвор-исток включают стабилитрон с напряжением пробоя, меньшим, чем предельно допустимое напряжение на затворе.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Полевые транзисторы. For dummies

А теперь давайте поговорим о полевых транзисторах. Что можно предположить уже по одному их названию? Во-первых, поскольку они транзисторы, то с их помощью можно как-то управлять выходным током. Во-вторых, у них предполагается наличие трех контактов. И в-третьих, в основе их работы лежит p-n переход. Что нам на это скажут официальные источники?

Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, обычно с тремя выводами, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля. (electrono.ru)

Определение не только подтвердило наши предположения, но и продемонстрировало особенность полевых транзисторов — управление выходным током происходит посредством изменения приложенного электрического поля, т.е. напряжения. А вот у биполярных транзисторов, как мы помним, выходным током управляет входной ток базы.

Еще один факт о полевых транзисторах можно узнать, обратив внимание на их другое название — униполярные. Это значит, что в процессе протекания тока у них участвует только один вид носителей заряда (или электроны, или дырки).

Три контакта полевых транзисторов называются исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители). Структура кажется простой и очень похожей на устройство биполярного транзистора. Но реализовать ее можно как минимум двумя способами. Поэтому различают полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.

Вообще, идея последних появилась еще в 20-х годах XX века, задолго до изобретения биполярных транзисторов. Но уровень технологии позволили реализовать ее лишь в 1960 году. В 50-х же был сначала теоретически описан, а затем получил воплощение полевой транзистор с управляющим p-n переходом. И, как и их биполярные «собратья», полевые транзисторы до сих пор играют в электронике огромную роль.

Перед тем, как перейти к рассказу о физике работы униполярных транзисторов, хочу напомнить ссылки, по которым можно освежить свои знания о p-n переходе: раз и два.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

Итак, как же устроен первый тип полевых транзисторов? В основе устройства лежит пластинка из полупроводника с проводимостью (например) p-типа. На противополжных концах она имеет электроды, подав напряжение на которые мы получим ток от истока к стоку. Сверху на этой пластинке есть область с противоположным типом проводимости, к которой подключен третий электрод — затвор. Естественно, что между затвором и p-областью под ним (каналом) возникает p-n переход. А поскольку n-слой значительно уже канала, то большая часть обедненной подвижными носителями заряда области перехода будет приходиться на p-слой. Соответственно, если мы подадим на переход напряжение обратного смещения, то, закрываясь, он значительно увеличит сопротивление канала и уменьшит ток между истоком и стоком. Таким образом, происходит регулирование выходного тока транзистора с помощью напряжения (электрического поля) затвора.

Можно провести следующую аналогию: p-n переход — это плотина, перекрывающая поток носителей заряда от истока к стоку. Увеличивая или уменьшая на нем обратное напряжение, мы открываем/закрываем на ней шлюзы, регулируя «подачу воды» (выходной ток).

Итак, в рабочем режиме полевого транзистора с управляющим p-n переходом напряжение на затворе должно быть либо нулевым (канал открыт полностью), либо обратным.
Если величина обратного напряжения станет настолько большой, что запирающий слой закроет канал, то транзистор перейдет в режим отсечки.

Даже при нулевом напряжении на затворе, между затвором и стоком существует обратное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к области стока.

Само собой разумеется, что можно сделать транзистор с каналом n-типа и затвором p-типа. Сущность его работы при этом не изменится.

Условные графические изображения полевых транзисторов приведены на рисунке (а — с каналом p-типа, б — с каналом n-типа). Стрелка здесь указывает направление от p-слоя к n-слою.

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Поскольку в рабочем режиме ток затвора обычно невелик или вообще равен нулю, то графики входных характеристик полевых транзисторов мы рассматривать не будем. Перейдем сразу к выходным или стоковым. Кстати, статическими их называют потому, что на затвор подается постоянное напряжение. Т.е. нет необходимости учитывать частотные моменты, переходные процессы и т.п.

Выходной (стоковой) называется зависимость тока стока от напряжения исток-сток при константном напряжении затвор-исток. На рисунке — график слева.

На графике можно четко выделить три зоны. Первая из них — зона резкого возрастания тока стока. Это так называемая «омическая» область. Канал «исток-сток» ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется напряжением на затворе транзистора.

Вторая зона — область насыщения. Она имеет почти линейный вид. Здесь происходит перекрытие канала в области стока, которое увеличивается при дальнейшем росте напряжения исток-сток. Соответственно, растет и сопротивление канала, а стоковый ток меняется очень слабо (закон Ома, однако). Именно этот участок характеристики используют в усилительной технике, поскольку здесь наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. К таким параметрам относятся крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления. Значения всех этих непонятных словосочетаний будут раскрыты ниже.

Третья зона графика — область пробоя, чье название говорит само за себя.

С правой стороны рисунка показан график еще одной важной зависимости — стоко-затворной характеристики. Она показывает то, как зависит ток стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении между истоком и стоком. И именно ее крутизна является одним из основных параметров полевого транзистора.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Такие транзисторы также часто называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- или МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторами (англ. metall-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET). У таких устройств затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика. Физической основой их работы является эффект изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.
Устройство транзисторов такого вида следующее. Есть подложка из полупроводника с p-проводимостью, в которой сделаны две сильно легированные области с n-проводимостью (исток и сток). Между ними пролегает узкая приповерхностнаяя перемычка, проводимость которой также n-типа. Над ней на поверхности пластины имеется тонкий слой диэлектрика (чаще всего из диоксида кремния — отсюда, кстати, аббревиатура МОП). А уже на этом слое и расположен затвор — тонкая металлическая пленка. Сам кристалл обычно соединен с истоком, хотя бывает, что его подключают и отдельно.

Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток. Почему не через кристалл? Потому что один из p-n переходов будет закрыт.

А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения.
Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения. При этом сопротивление канала будет падать, а ток через него расти.

Рассмотренная выше конструкция транзистора с изолированным затвором похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом тем, что даже при нулевом токе на затворе при ненулевом напряжении исток-сток между ними существует так называемый начальный ток стока. В обоих случаях это происходит из-за того, что канал для этого тока встроен в конструкцию транзистора. Т.е., строго говоря, только что мы рассматривали такой подтип МДП-транзисторов, как транзисторы с встроенным каналом.

Однако, есть еще одна разновидность полевых транзисторов с изолированным затвором — транзистор с индуцированным (инверсным) каналом. Из названия уже понятно его отличие от предыдущего — у него канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.

Итак, мы подаем напряжение только на исток и сток. Ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт.
Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора. И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая инверсия типа проводимости. Т.е. концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа. Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе.
Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения.

Условные обозначения транзисторов с изолированным затвором следующие:

Здесь
а − со встроенным каналом n- типа;
б − со встроенным каналом р- типа;
в − с выводом от подложки;
г − с индуцированным каналом n- типа;
д − с индуцированным каналом р- типа;
е − с выводом от подложки.

Статические характеристики МДП-транзисторов

Семейство стоковых и стоко-затворная характеристики транзистора с встроенным каналом предсталены на следующем рисунке:

Те же характеристики для транзистора с идуцированным каналом:

Экзотические МДП-структуры

Чтобы не запутывать изложение, хочу просто посоветовать ссылки, по которым о них можно почитать. В первую очередь, это всеми любимая википедия, раздел «МДП-структуры специального назначения». А здесь теория и формулы: учебное пособие по твердотельной электронике, глава 6, подглавы 6.12-6.15. Почитайте, это интересно!

Общие параметры полевых транзисторов

1. Максимальный ток стока при фиксированном напряжении затвор-исток.
2. Максимальное напряжение сток-исток, после которого уже наступает пробой.
3. Внутреннее (выходное) сопротивление. Оно представляет собой сопротивление канала для переменного тока (напряжение затвор-исток — константа).
4. Крутизна стоко-затворной характеристики. Чем она больше, тем «острее» реакция транзистора на изменение напряжения на затворе.
5. Входное сопротивление. Оно определяется сопротивлением обратно смещенного p-n перехода и обычно достигает единиц и десятков МОм (что выгодно отличает полевые транзисторы от биполярных «родственников»). А среди самих полевых транзисторов пальма первенства принадлежит устройствам с изолированным затвором.
6. Коэффициент усиления — отношение изменения напряжения исток-сток к изменению напряжения затвор-исток при постоянном токе стока.

Схемы включения

Как и биполярный, полевой транзистор можно рассматривать как четырехполюсник, у которого два из четырех контактов совпадают. Таким образом, можно выделить три вида схем включения: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком. По характеристикам они очень похожи на схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором для биполярных транзисторов.
Чаще всего применяется схема с общим истоком (а), как дающая большее усиление по току и мощности.
Схема с общим затвором (б) усиления тока почти не дает и имеет маленькое входное сопротивление. Из-за этого такая схема включения имеет ограниченное практическое применение.
Схему с общим стоком (в) также называют истоковым повторителем. Ее коэффициент усиления по напряжению близок к единице, входное сопротивление велико, а выходное мало.

Отличия полевых транзисторов от биполярных. Области применения

• высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление;
• высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей);
• поскольку усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены переносом основных носителей заряда, их верхняя граница эффективного усиления выше, чем у биполярных;
• высокая температурная стабильность;
• малый уровень шумов, так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда, которое и делает биполярные транзисторы «шумными»;
• малое потребление мощности.

Где применяются полевые транзисторы? Да практически везде. Цифровые и аналоговые интегральные схемы, следящие и логические устройства, энергосберегающие схемы, флеш-память… Да что там, даже кварцевые часы и пульт управления телевизором работают на полевых транзисторах. Они повсюду, %хабраюзер%. Но теперь ты знаешь, как они работают!

• транзисторы
• полевые транзисторы
• MOSFET
• электроника