Польові транзистори з управляючим р-n переходом

4.1.1 Загальні відомості про польові транзистори

Польовим транзистором називається напівпровідниковий прилад, що містить три або більше електродів, керування основним струмом у якому здійснюється за допомогою електричного поля. Існує два основних типи польових транзисторів (ПТ): з керуючим переходом (ПТКП) та з ізольованим затвором (МДН-транзистор).

Польовий транзистор з керуючим переходом (ПТКП) (рис. 1, а, б) принципово відрізняється за структурою від МДН-транзистору (рис. 1, в). У ПТКП затвор виконаний у вигляді області типу, а сам прилад являє собою тонку пластину із кремнію ( типу). Дія цього приладу засновано на залежності товщини ОПЗ переходу від прикладеного до затвора напруги.. Область напівпровідника, поперечний переріз якого управляється зовнішньою напругою, називається каналом (1). Залежно від електропровідності напівпровідника канал може бути типу або типу. Омічний контакт, від якого починають рух основні носії заряду, називається витоком (2), а омічний контакт (електрод), до якого вони рухаються через канал, - стоком (3). Електрод, що використовується для керування ефективною товщиною каналу, називається затвором (4).

Якщо підключити до каналу напругу (між стоком і витоком), то через пластину напівпровідникового приладу потече дрейфовий струм. Для ефективного керування переходом каналу керуючий перехід роблять різко несиметричним так, щоб замикаючий шар ОПЗ в основному розташовувався в товщині каналу, що має відносно малу концентрацію основних носіїв заряду (). Оскільки збіднений шар майже повністю позбавлений рухливих носіїв заряду, його провідність практично дорівнює нулю. Обмежуючи з однієї з бічних сторін струмопровідний канал (утворений у напівпровідниковій пластині), збіднений шар тим самим визначає ефективну товщину цього каналу.

Технологічну товщину каналу звичайно роблять багато більше вихідної товщини замикаючого шару () при . При подачі негативної напруги на затвор замикаючий шар (5) розширюється, що призводить до звуження струмопровідного каналу й збільшенню його опору. Можна підібрати таку напругу на затворі, при якому струмопровідний канал буде повністю ліквідований, тобто перекритий ОПЗ (ця напруга називається напругою відсічення).

На відміну від ПТКП, у МДН-транзисторах електрод затвора ізольований від напівпровідникової області каналу шаром діелектрика. Структура "метал - діелектрик – напівпровідник", тобто МДН, і визначає назву даного типу транзистора. Як діелектрик звичайно використовують окисел (двоокис кремнію ), тому поряд з терміном МДН можна зустріти термін МОН, що означає структуру "метал – окисел – напівпровідник".

В підкладці створюються дві сильно леговані області із протилежним щодо неї типом електропровідності. Одна із цих областей використається як витік (В) (область 2 на рисунку 4.1, а), інша – як стік (С) (область 3). Електрод затвора (З) (область 4) ізольований від напівпровідникової області тонким шаром діелектрика товщиною . Витік, стік і підкладка мають омічні контакти з відповідними напівпровідниковими областями й забезпечуються виводами. Підкладку іноді безпосередньо з'єднують із витоком.

 

а)

 

б)

 

 

в)

 

 

4.1.2 Польовий транзистор з керуючим переходом.

Оскільки керування переходом каналу (і відповідно струмом ) проводиться зворотнозміщеним переходом, опір ділянки затвор-витік виявляється дуже великим, тобто вхідне коло ізольоване від вихідного великим опором закритого переходу, що вигідно відрізняє даний напівпровідниковий прилад від біполярного транзистора.

При прямому включенні переходу, що управляє () виникає інжекція носіїв в канал, опір ділянки затвор-витік, що є вхідним опором приладу, різко зменшується. Однак у деяких пристроях використовується або випрямляюча або шунтуюча дія переходу, тобто використовуються режими, при яких перехід, що управляє, в окремі проміжки часу виявляється включеним у прямому напрямку. Варіантом ПТКП, в якому перехід затвор-канал може бути відкритим, називається біполярний статично індукований транзистор – ВSIT [].

В робочому режимі у каналі протікає струм , тому потенціали різних поперечних перерізів каналу виявляються неоднаковими. З рисунку 4.2 видно, що потенціал , розподілений уздовж каналу, зростає за певним законом від нуля в перетині витоку до в перетині стоку. Зворотна (негативна) напруга переходу для різних перетинів , що дорівнює , також зростає в напрямку стоку, а це викликає відповідне збільшення товщини збідненого шару й звуження перетину каналу.

Найбільшим перетин каналу буде біля витоку, де , і найменшим - біля стоку, де зворотна (негативна) напруга переходу дорівнює (, а ). Якщо збільшувати напругу , то напруга може досягти , а це означає, що в перетині біля стоку відбудеться перекриття каналу. Напруженість електричного поля у звуженій ділянці каналу досягає значення, при якому наступає насичення швидкості дрейфу рухливих носіїв заряду, що унеможливлює збільшення струму при подальшому збільшенні стокової напруги , тобто в цьому режимі відбувається не відсічення струму каналу, а його обмеження [Туг]. Такий процес називається насиченням, а напруга, при якому він наступає, – напругою насичення .

За умови

,

.

У режимі насичення товщина каналу біля стоку стає мінімальною і дорівнює , а опір на цій ділянці каналу – відносно великим. Якщо в польовому транзисторі при змінювати напругу на затворі від 0 до , то товщина звуженої ділянки каналу, тобто товщина горловини , буде зменшуватися від до нуля.

При повністю перекритому каналі ПТ () струм каналу сягає нуля, а в ланцюгу стоку тече лише деякий малий залишковий струм (струм відсічення) .

 

На рисунку 4.2 зображена структура ПТКП із варіацією товщини каналу під взаємодією повздожного та поперечного електричних полів, на рисунку 4.3 – вид ОПЗ в режимі насичення струму стоку.

 

 

4.1.3 Статичні характеристики ПТКП

Статичні характеристики ПТКП встановлюють залежність струму стоку від однієї з напруг або при фіксованому значенні іншої.

Статичні стокові (вихідні) характеристики ПТКП являють собою залежність (рис. 4.4, а). Характеристики можуть бути розраховані за допомогою виразу:

 

, (4.1)

де опір матеріалу каналу;

питомий опір матеріалу каналу;

відповідно, товщина, ширина й довжина каналу.

 

 

Розглянемо статичну стокову характеристику, що відповідає умові . При малих значеннях струм стоку змінюється прямо пропорційно напрузі, її нахил цієї початкової ділянки характеристики, що відповідає повністю відкритому каналу, прямо пропорційний величині ; через помітне звуження стокової ділянки каналу й зменшення його загальної провідності є деяке відхилення характеристики від прямої лінії. При струм стоку досягає значення насичення й при подальшому збільшенні залишається майже незмінним, аж доки не виникне електричний пробій стокової ділянки керуючого переходу (при ), коли струм стоку різко зростає.

При подачі деякої негативної напруги на затвор () ОПЗ керуючого переходу розширюється, звужуючи тим самим струмопровідний канал, що приводить до зменшення вихідної провідності каналу (), тому початкова ділянка даної статичної стокової характеристики стає більше пологою. При цьому й зменшуються. Геометричне місце крапок, що відповідають обмеженню перетину струмопровідного каналу й настанню режиму насичення, на графіку показано штрих-пунктирною лінією.

Статична сток-затворна характеристика (характеристика керування, або прохідна) наведена на рис. 4.4, б. При фіксованій величині знаходять для конкретних значень . По цих крапках у координатах будують відповідну характеристику.

Напруга відсічки відповідає встановленню в транзисторі залишкового струму . На практиці за допомогою приладу зафіксувати цю величину дуже важко, тому звичайно вимірюють при . Підставивши ці значення в (4.1), можна отримати .

 

Тема 10.