Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком зарядов одной полярности: потоком основных носителей, протекающим через канал, управляемым электрическим полем. Отсюда полевые транзисторы называют также канальными или униполярными транзисторами. По принципу устройства полевые транзисторы бывают с управляющим переходом и с изолированным затвором. Транзисторы с изолированным затвором по структуре разделяются на транзисторы с индуцированным каналом и со встроенным каналом. По типу используемого изолирующего материала транзисторы с изолированным затвором называют МДП-транзисторами (от слов «металл - диэлектрик - полупроводник») или МОП-транзисторами (от слов «металл - оксид -полупроводник»). В последнем случае диэлектриком служит слой диоксида кремния Si02.
Полевые транзисторы обладают высоким входным сопротивлением. Входное сопротивление на низких частотах транзисторов с изолированным затвором достигает 1014-1016 Ом.
Структура и принцип действия полевого транзистора с управляющим переходом. Схема включения полевого транзистора с управляющим /?-л-переходом3 поясняющая принцип работы, и его условное графическое обозначение показаны на рис. 3.31. Управляемый канал может быть изготовлен как из полупроводника /7-типа, так и из полупроводника /х-типа. Устройство и условное графическое обозначение полевого транзистора с /?-и-переходом и каналом />типа изображены на рис. 3.32.
Управляемый канал образуется путем формирования управляющей области с другим типом проводимости. В рассматриваемом случае это /^-область, а канал представляет пластинку из полупроводника «-типа. Пластинка из полупроводника /т.-типа (на рис. 3.32 из полупроводника р-типа) имеет на противоположных концах электроды. Электрод, из которого в канал вытекают электроны (в случае канала /?-типа - дырки), называется истоком (И). Электрод, куда проходят электроны, называется стоком (С). Управляющий электрод, соединенный с областью р-тит, называется затвором (3).
При подаче на затвор обратного напряжения (относительно истока) увеличивается толщина р-я-перехода и соответственно этому уменьшается поперечное сечение канала (область, через которую проходит поток основных носителей - электронов). В какой-то степени затвор аналогичен базе биполярного транзистора, хотя по физическому принципу работы они весьма различны. Таким образом, путем изменения обратного напряжения, подаваемого на затвор, можно управлять током, протекающим через канал, т.е. через полевой транзистор.
З
С
Рис. 3.30. Устройство и условное графическое обозначение полевого транзистора
С р-/2-ПЄрЄХОДОМ
и каналом «-типа
И
При некотором запирающем напряжении площадь поперечного сечения канала становится равной нулю и транзистор запирается, Это напряжение получило название напряжения отсечки охс. При напряжении w3_H = 0 сечение канала максимальное, сопротивление наименьшее и ток стока zc получается наибольшим. Для эффективного управления выходным током (током стока) исходная толщина канала не превышает нескольких микрометров.
Поскольку напряжение на затворе транзистора определяется относительно истока, то по мере приближения к стоку обратное напряжение р-«-перехода увеличивается, и соответственно увеличивается толщина запирающего слоя. С целью уменьшения падения напряжения и потерь мощности в областях стока и истока эти области делаются с повышенной проводимостью (повышенная проводимость обозначена дополнительным символом «+»). Такой подход позволяет усиливать управляющее действие затвора.
Характеристики и параметры полевых транзисторов. Как было уже сказано, полевые транзисторы обладают большим входным сопротивлением и поэтому зависимости входных токов не рассматриваются. Это свойство полевых транзисторов сильно отличает их от биполярных транзисторов, в которых управление выходным током осуществляется током входного электрода. Основными статическими характеристиками полевого транзистора являются: семейство выходных характеристик и семейство проходных характеристик (проход-ные'характеристики называют также характеристиками прямой передачи).
Рис. 3.32. Устройство и условное графическое обозначение полевого транзистора с р-я-переходом и каналом р-типа
Зависимости тока стока от напряжения на стоке относительно истока при различных напряжениях на затворе представляют семейство выходных статических характеристик полевого транзистора. Эти зависимости для трех значений напряжения на затворе транзистора показаны на рис. 3.33, а.
Семейство выходных характеристик условно можно представить из трех частей. В первой части, которая называется крутой частью, ток стока растет согласно закону Ома:
А:= Ucw
где Лі = RV + Лс+ R0 - сопротивление области истока, стока и начальное статическое сопротивление канала соответственно. В этой части характеристики ток стока называется начальным током стока.
Во второй части напряжение на стоке достигает значения ^Л'п iuk - напряжения насыщения, происходит уменьшение ширины канала из-за увеличения размеров р-//-перехода затвора (рис. 3.34).
гдри дальнейшем увеличении напряжения на стоке увеличивается цхйрина р -«-перехода, что приводит к увеличению статического сопротивления канала, и ток стока практически перестает зависеть от напряжения стока (растет незначительно). Здесь имеют место два «конкурирующих» взаимно противоположных воздействия на ток стока: с одной стороны, увеличение напряжения стока «старается» увеличить ток стока, а с другой - увеличение напряжения стока приводит к росту ширины p-n-перехода, т.е. к увеличению сопротивления канала, в результате чего ток стока практически остается постоянным. Эту часть характеристики называют пологой частью, ее называют также областью насыщения. Напряжение, при котором начинается область насыщения, называют напряжением насыщения Uqw нас-
Работа полевого транзистора обычно происходит на пологой части семейства выходных статических характеристик. Напряжение затвора, при котором полевой транзистор запирается, называется напряжением отсечки ?/ЗИотс (рис. 3. 33, б).
При больших значениях напряжения на стоке может возникнуть пробой /?-77-перехода затвора. Пробой обычно происходит у стокового вывода канала транзистора. Это объясняется тем, что обратное напряжение на р-л-переходе затвора имеет максимальное значение у стокового конца канала и представляет сумму напряжений на стоке и на затворе. Отсюда следует, что чем больше напряжение на затворе, тем меньше напряжение на стоке, при котором произойдет пробой р-и-перехода затвора (см. рис. 3.33, а).
Основные параметры полевого транзистора. Основным параметром полевого транзистора является крутизна характеристики прямой передачи S. Она определяется как
5 Д/с /Д«з „ при ис.и =const.
Крутизна характеризует управляющее действие затвора и может составлять несколько миллиампер на вольт. Например, S = 5 мА/В. Это означает, что при изменении напряжения на затворе транзистора на 1 В ток стока изменяется на 5 мА.
Следующий параметр - внутреннее сопротивление полевого транзистора Rv Оно представляет сопротивление канала транзистора между стоком и истоком для переменного тока. Внутреннее сопрск тивление определяется выражением Ri=Auc_„ /Аіс при постоянном значении напряжения на затворе, т.е. щ.И = const.
Иногда пользуются еще одним параметром, получившим название коэффициента усиления х. Коэффициент усиления показывает, во сколько раз сильнее действует на ток стока изменение напряжения за -твора по сравнению с напряжением стока. Он определяется формулой: jlx = — Аис.И/Ащ.И при гс =const.
Приведенное выражение показывает, во сколько раз следует изменить напряжение стока при выбранном приращении напряжения затвора, чтобы ток стока оставался постоянным, т. е. изменения Дис_и и Ди3_и компенсируют друг друга по действию на ток стока. Так как увеличение ис_и должно компенсироваться уменьшением и3_И5 в правой части формулы стоит знак «минус».
Полевой транзистор имеет очень большое входное сопротивление постоянному току: десятки мегаом и более. Его входное сопротивление переменному току в основном имеет емкостной характер за счет входной емкости между затвором и истоком С3.и. Эта емкость является барьерной емкостью /?-л-перехода. Входная емкость составляет единицы пикофарад у диффузионных транзисторов и десятки пикофарад у сплавных.
Схемы включения полевых транзисторов, Как и биполярные транзисторы, полевые транзисторы можно включить по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ) - аналогична схеме с общим эмиттером, с общим стоком (ОС) - аналогична схеме с общим коллектором и с общим затвором (03) - аналогична схеме с общей базой. При этом следует помнить, что для транзисторов с каналом р-типа полярности питающих напряжений противоположны тем, какие показаны на рис. 3.3 1 и 3.34 для транзисторов с каналом /?-типа.
В практических схемах усилительных каскадов обычно применяется питание от одного источника ?п. На рис. 3.35 показана схема включения с общим истоком транзистора с каналом //-типа. Такую схему часто называют схемой с автоматическим напряжением смещения. Постоянное обратное напряжение на затворе (на управляющем ^-«-переходе) создается падением напряжения на сопротивлении резистора /?и, включенного в цепь истока. С целью устранения влияния отрицательной обратной связи на коэффициент усиления каскада, резистор Ки зашунтирован конденсатором Си.
Рис. 3.35. Схема включения
полевого транзистора с общим истоком
и с автоматическим напряжением смещения
Постоянный ток стока /с0 создает на резисторе Яи напряжение смещения из.и0 =1соЯц, которое через резистор #з подается на затвор транзистора, т.е. на р-«-переход. Сопротивление R3 должно быть достаточно большим, чтобы не снижалось входное сопротивление каскада. Сопротивление резистора Ди определяется из приведенного выражения для напряжения смещения:
^Л-ио/ До-Напряжение и ток покоя транзистора могут быть определены из выходных характеристик или из характеристик передачи транзистора. Через конденсатор Си протекает переменная составляющая тока стока (токи истока и стока одинаковы). Номинал емкости Си выбирается из условий обеспечения минимальных частотных искажений на нижней граничной частоте усиливаемого сигнала (так же как и емкость шунтирующего конденсатора резистора термостабилизации в цепи эмиттера в каскадах на биполярных транзисторах).
Разделительный конденсатор Ср играет такую же роль, что и разделительный конденсатор в схемах на биполярных транзисторах, т. е. не пропускает постоянное напряжение со стороны источника сигнала на затвор транзистора следующего каскада.
На рис. 3.36 показано включение полевого транзистора с каналом /7-типа с общим затвором (03) и с общим стоком (ОС). Схема с
общим затвором, аналогичная схеме с общей базой, не дает усиление по току. Фаза сигнала при усилении не переворачивается. Входное сопротивление данной схемы небольшое, так как входным током является ток истока (стока). Каскад с общим стоком, так же как и эмит-терный повторитель, имеет коэффициент усиления по напряжению близкий к единице. Его называют истоковым повторителем.
Полевые транзисторы с изолированным затвором. В полевых транзисторах с изолированным затвором металлический затвор отделен от полупроводникового канала тонким слоем диэлектрика. Толщина диэлектрического слоя 0,1-0,2 мкм. Основанием полевого транзистора с изолированным затвором, которое называется подложкой, служит кремниевая пластинка с электропроводностью р- или «-типа с относительно высоким удельным сопротивлением. На подложке созданы две сильнолегированные области с противоположным типом электропроводимости. На рис. 3.37 показаны структура и условное графическое обозначение полевого транзистора с изолированным затвором и со встроенным каналом и-типа. Подложкой в данном случае служит полупроводник /7-типа. В ней созданы две области с электропроводностью и+-типа с повышенной проводимостью. К этим областям нанесены метаплические электроды - исток и сток. Расстояние между стоком и истоком составляет всего несколько мкм. Поверхность полупроводника между стоком и истоком покрыта тонким слоем диэлектрика. Сверху диэлектрического покрытия расположен затвор. Таким образом, получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника, т. е. МДП-структура. Обычно подложка соединяется с истоком, но в некоторых типах транзисторов она может иметь отдельный вывод.
Если между истоком и стоком имеется тонкий приповерхностный канал (см. рис. 3.37), то транзистор такой структуры называется полевым транзистором со встроенным (или собственным) каналом.
МДП-транзисторы со встроенным каналом. Рассмотрим работу МДП транзистора со встроенным каналом «-типа (рис. 3.36). Если при нулевом напряжении затвора приложить между стоком и истоком напряжение, то через канал потечет ток за счет электронов полупроводника л-типа. Ток через подложку не пойдет, так как один из р-п-переходов всегда находится под обратным напряжением. При подаче на затвор отрицательного напряжения относительно истока, следовательно, и относительно подложки, в канале создается поперечное электрическое поле, выталкивающее электроны из канала в области истока, стока и подложки. При этом канал обедняется электронами, сопротивление его увеличивается, и ток стока уменьшается. Чем больше отрицательное напряжение затвора, тем меньше становится ток стока. Такой режим работы МДП-транзистора со встроенным каналом называется режимом обеднения.
Если на затвор подать положительное напряжение, то под его действием создается поперечное электрическое поле, притягивающее электроны из соседних областей: из стока, истока и подложки. Проводимость канала при этом возрастает, сопротивление уменьшается, и ток стока увеличивается. Этот режим работы транзистора называют режимом обогащения. Таким образом, МДП-транзисторы со встроенным каналом могут работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения. Статические выходные характеристики и характеристики передачи МДП-транзистора со встроенным каналом п-типа показаны на рис. 3.38.
МДП-транзисторы с индуцированным каналом. От транзистора со встроенным каналом этот транзистор отличается тем, что канал в нем возникает только при подаче на затвор напряжения соответствующей полярности (рис. 3.39). В случае МДП-транзистора с инду* цированным каналом л-типа канал формируется при подаче на затвор напряжения положительной полярности (относительно истока). При отсутствии этого напряжения канала нет, так как через подложку ток не течет (на одном из р -«-переходов всегда имеет место обратное напряжение). В этом состоянии транзистор заперт.
Если на затвор подать относительно истока положительное напряжение, то под влиянием поля затвора электроны будут перемещаться из соседних областей по направлению к затвору, как в случае режима обогащения МДП-транзистора со встроенным каналом. КогДа напряжение затвора превысит некоторое пороговое' - отпирают?0
значение, то в приповерхностном слое (под затвором) концентрация электронов превысит концентрацию дырок и произойдет инверсия 0una электропроводности, т. е. образуется тонкий слой «-типа, и транзистор начинает проводить ток.
При увеличении положительного напряжения затвора увеличивается проводимость канала, и ток стока растет. МДП-транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения, что видно из его статических выходных характеристик и характеристик передачи (рис. 3.40).
Параметры МДП-транзисторов аналогичны параметрам полевых транзисторов с управляемым /?-«-переходом. Однако они имеют ряд преимуществ в отношении температурных, шумовых, радиационных и других свойств. Входное сопротивление транзисторов с изолированным затвором практически не зависит от полярности напряжения затвора. Транзисторы с изолированным затвором могут применяться во всех схемах, рассмотренных для других типов транзисторов (ОИ, 03, ОС).
При работе с МДП-транзисторами следует принимать меры предосторожности для предотвращения пробоя тонкого слоя диэлектрика между затвором и каналом под действием статических зарядов, которые могут возникнуть на изолированном затворе. При транспортировке и монтаже выводы транзисторов должны быть накоротко замкнуты, замыкающие проводники удаляют только по окончании монтажа, когда выводы транзистора уже впаяны в схему.
