Полевые транзисторы с управляющим переходом.

 

Широкое распространение получили полевые транзисторы, иначе называемые канальными или униполярными. Идею устройства этих приборов предложил в 1952 г. один из изобретателей биполярного транзистора У. Шокли. Главное достоинство полевых транзисторов – высокое входное сопротивление. В настоящее время биполярные транзисторы все чаще вытесняются полевыми.

Принцип устройства и включения полевого транзистора с управляющим n-p-переходом, а также его условное графическое обозначение показаны на рис.1.

Пластинка из полупроводника, например, n-типа имеет на противоположных концах электроды, с помощью которых она включена в выходную (управляемую) цепь усилительного каскада. Эта цепь питается от источника E₂, и в нее включена нагрузка R_н. Вдоль транзистора проходит выходной ток основных носителей. В нашем примере это электронный ток. Входная (управляющая) цепь транзистора образована с помощью третьего электрода, представляющего собой область с другим типом эл. проводимости. В данном случае это p-область. Источник питания входной цепи E₁ создает на единственном n-p-переходе данного транзистора обратное напряжение. Напряжение U_пр на p-n-переход не подают, т.к. тогда входное сопротивление будет очень малым. Во входную цепь включен источник усиливаемых колебаний ИК.

Физические процессы в полевом транзисторе происходят следующим образом. При изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, и от этого изменяется толщина запирающего (обедненного) слоя, ограниченного на рис.1 штриховыми линиями. Соответственно этому меняется площадь поперечного сечения области, через которую проходит поток основных носителей заряда, т.е. выходной ток. Эта область называется каналом.

Электрод, у которого в канал вытекают основные носители заряда, называют истоком (И). Из канала носители заряда проходят к электроду, который называется стоком (С). Исток и сток аналогичны катоду и аноду электрической лампы соответственно. Управляющий электрод, предназначенный для регулирования площади поперечного сечения канала, называется затвором (З), и в какой-то степени он аналогичен сетке вакуумного триода или базе биполярного транзистора, хотя по физическому принципу работы затвор и база весьма различны.

Если увеличивать напряжение затвора u_зи, то запирающий слой p-n-перехода становится толще и площадь поперечного сечения канала уменьшается. Следовательно, его сопротивление постоянному току R₀ возрастает и ток стока i_c становится меньше. При некотором запирающем напряжении u_{зи зап} площадь поперечного сечения канала станет равной нулю и ток i_c будет весьма малым. Транзистор запирается. А при u_зи=0 сечение канала наибольшее, R₀ наименьшее (несколько сот Ом), и ток i_c получается наибольшим. Для того чтобы входное напряжение, возможно, более эффективно управляло током, материал основного полупроводника, в котором создан канал, должен быть высокоомным, т.е. с невысокой концентрацией примесей. Тогда запирающий слой в нем получается большей толщины. Кроме того, начальная толщина самого канала (при u_зи=0) должна быть достаточно малой (обычно несколько микрометров). u_зи при этих условиях составляет единицы вольт.

Поскольку вдоль канала потенциал увеличивается по мере приближения к стоку, то ближе к стоку обратное напряжение p-n-перехода увеличивается и толщина запирающего слоя получается больше.

Полевые транзисторы с p-n-переходом могут быть изготовлены сплавлением или диффузией. Лучшими являются диффузионные транзисторы. На рис.2 изображен принцип устройства диффузионного полевого транзистора, изготовленного по планарно-эпитаксиальной технологии. Для примера показан канал p-типа. Области истока и стока обычно делаются с повышенной проводимостью (электропроводность p⁺-типа), чтобы уменьшить бесполезное падение напряжения и потерю мощности в этих областях.

Повышенную проводимость имеет и область затвора (электропроводность n⁺-типа). Это обеспечивает увеличение толщины запирающего слоя главным образом в сторону канала, т.е. усиливает управляющее действие затвора.

Кристалл транзистора (подложка) является областью n-типа, от которой часто делают вывод. Тогда кристалл может быть использован как дополнительный затвор. Подавая, например, на него некоторое постоянное напряжение, устанавливают начальную толщину канала.

Сплавные полевые транзисторы являются низкочастотными, а диффузионные могут работать на частотах до десятков и сотен МГц. Само перемещение основных носителей по каналу происходит под действием ускоряющего поля очень быстро, и поэтому предельная частота определяется не этим процессом, а влиянием собственных емкостей транзистора.