Есть конспект?
Пришлите нам!

3.4.2. Полевые транзисторы.

У биполярных транзисторов управление током в выходной цепи ведётся входными токами. У полевых транзисторов управление выходным током ведётся с помощью электрического поля, поэтому их называют полевыми. Действие полевых транзисторов основано на использовании носителей заряда только одного типа: электронов или дырок. Это послужило основой для второго названия – униполярные. Рабочий ток в полевом транзисторе протекает в области, называемой каналом, поэтому их называют канальными, все эти названия равносильны, но мы будем называть их полевыми. Полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с управляющим p – n переходом и транзисторы с изолированным затвором. Простейшая модель транзистора с управляющим p – n переходом представлена на рис.3.4.6.

 

В полупроводнике с проводимостью n – типа создают небольшую область p – типа. Образуется p – n переход. К переходу прикладывается напряжение в обратной полярности, чтобы закрыть его. При приложении к p – n переходу обратного напряжения происходит его расширение. Но если n – область и p – область имеют разное количество примесей, то p – n переход расширяется неодинаково. Большее расширение происходит в ту область, где меньше примесей (где меньше основных носителей заряда). При создании полевых транзисторов с управляющим p – n переходом в одну из областей вводят большое количество примесей (у нас это p – область), в другую – незначительное (n – область). Тогда при приложении к p – n переходу внешнего обратного напряжения он будет расширяться в n – область. Приложим к n – области напряжение от другого источника постоянного напряжения. Тогда через n – область проходит ток, который ограничивается сопротивлением нагрузки Rн и сопротивлением полупроводника. Если изменить напряжение U1, будет изменяться ширина p – n перехода и, следовательно, толщина области по которой проходит ток.

Область, толщина (поперечное сечение) которой управляется внешним напряжением, называется каналом. Электрод, из которого основные носители заряда входят в канал, называют истоком, а электрод, через который основные носители уходят из канала – стоком. Электрод для регулирования поперечного сечения канала – затвором.

Итак, основные элементы полевого транзистора – сток, исток, затвор и канал. Все эти элементы образуются в кристалле полупроводника, который называется подложкой. Между затвором и каналом образуется p – n переход. Если к p – n переходу приложить обратное напряжение, он расширится, причём расширение направлено в объём полупроводника. Если к стоку и истоку приложить напряжение U2, через полупроводник потечёт ток. Область полупроводника, по которой проходит ток, представляет собой обычное активное сопротивление.  При увеличении обратного напряжения переход ещё больше расширяется и канал уменьшится, поэтому проходящий ток тоже уменьшится. При определённом значении обратного напряжения

p – n переход может расшириться настолько, что перекроет канал, и ток через полупроводник не будет проходить. Если к

p – n переходу приложить переменное напряжение, то в такт с его изменениями будет изменяться и ширина p – n перехода, а соответственно и ширина канала. Поэтому p – n переход называют управляющим. Изменение ширины канала приводит к изменению тока, а это вызывает изменение падения напряжения на сопротивлении нагрузки Rн. Полевые транзисторы с управляющим p – n переходом имеют большие входные и выходные сопротивления. Для практики ценно, что у них большое входное сопротивление (по этому параметру они похожи на электронные лампы).

 

Полевые транзисторы с изолированным затвором.

Для увеличения входного сопротивления транзистора нужно очень тонким изолирующим слоем затвор отделить от канала. Отсюда и возникло название – полевые транзисторы с изолированным затвором.

Рис.3.4.7. Изображение структуры транзистора с изолированным затвором.

1 – исток; 2 – металл; 3 – затвор; 4 – изолятор; 5 – сток; 6 – канал; 7 – подложка.

 

Сам затвор металлический. В качестве подложки обычно используется кристалл кремния с небольшим количеством примеси. В подложке создаются две области, в которых большая (даже сильная) концентрация примеси. Эти примеси создают тип проводимости, противоположный типу проводимости подложки. Эти две области называют сток и исток. Затвор изолируют от подложки слоем диэлектрика толщиной 0,15 – 0,3 мкм. В качестве диэлектрика используют различные материалы. Транзисторы, у которых в качестве диэлектрика используют окислы кремния, называют МОП – транзисторами (металл – окисел – полупроводник). Металл – материал затвора, окисел – изолятор между затвором и каналом, полупроводник – материал подложки (канал). При использовании других видов диэлектрика их называют МДП-транзисторами (металл – диэлектрик – полупроводник). В транзисторах с изолированным затвором, в отличие от полевых транзисторов с управляющим p – n переходом, канал образуется не внутри объёма полупроводника, а в поверхностном слое под слоем диэлектрика. Электрическое поле, которое образуется в диэлектрике, управляет каналом.

Рис3.4.8. Изображение транзистора со встроенным каналом.

1 – исток; 2 – затвор; 3 – изолятор; 4 – сток; 5 – подложка.

Если к структуре металл – диэлектрик – полупроводник приложить напряжение, то из-за большого различия сопротивлений диэлектрика и полупроводника практически всё напряжение прикладывается к диэлектрику и в нём образуется электрическое поле, управляющее носителями заряда в поверхности полупроводника (под диэлектриком), т.е. каналом. Транзисторы с изолированным затвором делятся на группы: транзисторы с индуцированным (возникающим) каналом и транзисторы со встроенным каналом. Индуцированный канал называют каналом обогащённого типа, а встроенный – обеднённого типа. Встроенный канал создаётся в процессе изготовления транзистора введением примесей. Ток по встроенному каналу протекает тогда, когда напряжение на его затворе отсутствует, но оно есть между стоком и истоком. Это так называемый начальный ток стока. Значение его можно увеличивать и уменьшать, изменяя значение и полярность напряжения, подключаемого к затвору. При некотором отрицательном значении напряжения на затворе транзистора с каналом n – типа, или, соответственно, положительном для канала p – типа, ток в канале прекращается.

Рассмотрим это на примере транзистора со встроенным каналом n – типа (рис.3.4.8). Если приложить напряжение к стоку и истоку и не прикладывать к затвору, то через канал потечёт ток, образованный электронами. Теперь приложим напряжение к затвору: «минус» -  к затвору, «плюс» -  к подложке. Тогда в диэлектрике создаётся электрическое поле (рис.3.4.8). Это поле вытесняет носители заряда (электроны) из поверхностной зоны (из канала) вглубь полупроводника. При некотором отрицательном напряжении на затворе электроны из канала вытесняются (это явление называется «обеднение носителями»), а на их место поступают дырки. Канал будет перекрыт, а ток практически равен нулю. Когда канал заполнится дырками, он является уже областью с дырочной проводимостью, т.е. p – областью. Между двумя n - областями (стоком и истоком) находится p – область и образуются два p – n перехода, один из которых при любой полярности напряжения сток – исток включается в обратном направлении, при этом сопротивление участка цепи сток – канал – исток очень большое. Напряжение на затворе, при котором прекращается ток,  называется напряжением отсечки.

Транзисторы с индуцированным каналом отличаются тем, что область канала приобретает электропроводность заданного типа лишь при наличии напряжения на затворе: отрицательного в транзисторе с подложкой из кремния n – типа и положительного в транзисторе с подложкой из кремния p – типа.

 

Рассмотрим принцип работы транзистора с индуцированным каналом на примере транзистора с подложкой из кремния p – типа (рис.3.4.9).

Рис.3.4.9. Изображение транзистора с индуцированным каналом.

1 – исток; 2 – затвор; 3 – сток; 4 – подложка.

Сток и исток представляют собой в этом случае n – области. Когда на затворе нет напряжения, ток в канале очень мал, так как снова имеем два встречно-включённых p – n перехода. При подаче напряжения на затвор транзистора, положительного относительно подложки, в диэлектрике образуется электрическое поле, силовые линии которого направлены так, как показано на рисунке. Это поле начнёт вытеснять дырки из поверхностного слоя (из канала) вглубь проводника. При некотором напряжении на затворе, называемым пороговым напряжением, дырки вытесняются из области канала, а их место занимают электроны, втянутые полем из объёма полупроводника (это явление называется «обогащение носителями»). Канал становится проводящим (n – типа) и соединяет собой области стока и истока, также n – типа. Образуется однородная среда. Если к стоку приложить напряжение, то протекает ток, образованный электронами. При увеличении положительного напряжения, прикладываемого к затвору, канал расширится и ток, протекающий в цепи исток – канал – сток увеличится. В транзисторе с подложкой из кремния n – типа процесс происходит аналогично, только на затвор подают отрицательное напряжение.

Рис.3.4.10. Условные графические обозначения полевых транзисторов.

а – транзистор с управляющим p-n переходом и каналом n-типа;

б – транзистор с управляющим p-n переходом и каналом p-типа;

в – с изолированным затвором обеднённого типа с n-каналом;

г – с изолированным затвором обеднённого типа с p-каналом;

д – транзистор с p-каналом и выводом от подложки;

е – с изолированным затвором обеднённого типа, n-каналом и внутренним соединением подложки и истока;

ж – с двумя изолированными затворами обеднённого типа с p-каналом и внутренним соединением подложки и истока;

з – с двумя изолированными затворами обогащённого типа с p-каналом;

и – с двумя изолированными затворами обогащённого типа с n-каналом и выводом от подложки.


Dr.BoT© Konspektiruem.ru