Материал: Tverdotila_elektronika

4 Польові транзистори

Польові транзистори (ПТ) – це напівпровідникові прилади, в яких протікання струму зумовлене дрейфом основних носіїв заряду під дією поздовжнього електричного поля, а керування величиною цього струму здійснюється за допомогою поперечного електричного поля, яке змінює електропровідність струмопровідної ділянки напівпровід­ника. Це поле створюється напругою, яку прикладено до керувального електрода.

Існують два типи ПТ: польові транзистори з керуваль­ним  переходом (ПТКП) і польові транзистори з ізольованим затвором, що мають структуру метал – діелектрик – напівпровідник (метал-окис-напівпровідник) і називаються скорочено МДП (МОН) – транзисторами.

Другий елемент позначення ПТ – літера “П”.

4.1 Польові транзистори з керувальним переходом

ПТ з керувальним – переходом (ПТКП) виготовля­ються з кремнієвого кристала n - або p - типу. Схемні позначення ПТКП показано на рисунку 4.1.

а) б)

Рисунок 4.1 – Схемні позначення ПТКП з n - каналом (а) і з p - каналом (б)

До таких транзисторів належать прилади: КП 101, КП 102, КП 103, КП 201 – транзистори з p - каналом; КП 302, КП 303, КП 307, КП 312 – транзистори з n - каналом. Як бачимо з позначень, низькочастотні ПТКП мають канал p - типу, високочастотні – канал n - типу. Справа у тому, що в p - каналі основні носії – дірки, а їх рухомість менша, ніж у електронів, які є основними носіями в каналах n - типу.

Схематично будова ПТКП з p - каналом показана на рис. 4.2. Транзистор складається з напівпровідникової обла­сті p - типу і двох областей n - типу. Останні з’єднуються разом і утворюють керувальний електрод – затвор. На межах поділу n - областей та p - області виникають високо­омні запірні шари – керувальний – перехід.

Рисунок 4.2 – Схематична будова польового транзистора з керувальним переходом і p - каналом

Частина p - області між запірними шарами називається каналом. Під дією джерела напруги у каналі утворюється поздовжнє електричне поле, яке примушує дірки рухатися до “-” в напрямі від електрода, що називається витоком, до електрода, який називається стоком. Отже, в каналі і в зовнішньому колі стоку протікає струм стоку під дією напруги на стоці стосовно витоку . На затвор відносно витоку подається напруга , яка зміщує – переходи в зворотному напрямі. У колі затвора протікає малий струм .

Приклади конструкції ПТКП зображені на рисунку 4.3 (КП 102) та рисунку 4.4 (КП 103). У рамках планарної технології (рис. 4.3) засобом дифузії в приповерхневому шарі кремнієвого кристала типу створюються вузька область типу (канал) і дві високолеговані області p - типу (витік і стік). На ці області наноситься тонка плівка з алюмінію, до якої припаюються виводи витоку і стоку. Поверхня кристала покривається захисним шаром двоокису кремнію (SiO₂). Затвором служить кристал-підкладка, до якого припаюється вивід керувального електрода. Уся конструкція розміщується в герметичному металевому або пластмасовому корпусі.

Рисунок 4.3 – Конструкція ПТКП КП 102

Рисунок 4.4 – Фрагмент структури ПТКП КП 103

Польові транзистори типу КП 103, на відміну від попередніх, мають п’ять паралельних каналів, біля кожного з яких розміщений додатковий затвор З2 (першим затвором З1 є підкладка) – рис. 4.4. Наявність п’яти каналів і додаткових затворів дозволяє збільшити струм стоку, а також підвищити ефективність керування товщиною каналу, оскільки перекриття каналу відбувається з боку затвора і зверху, і знизу.

Принцип дії ПТКП розглянемо за допомогою схематич­ного зображення приладу на рис. 4.2. При збільшенні напруги , яка вмикає запірні шари в зворотному напрямі, ці шари розширяються. Товщина – переходу зростає цілком у бік каналу, оскільки у ПТКП області затвора завжди високолеговані, а канал має низьку концентрацію домішок ( для транзистора з p - каналом). Розширення керувального – переходу приводить до зменшення ширини каналу, зниження його електропровідності та зменшення струму через нього () при незмінній напрузі. Отже, змінюючи напругу на затворі , тобто змінюючи поперечне електричне поле, можна ефективно керувати зміною струму стоку (величиною внутрішнього опору транзистора). Це найважливіша власти­вість польового транзистора в режимі підсилення вхідних сигналів. Саме вона зумовлює суттєву відмінність ПТ від біполярних транзисторів, яка полягає в наступному. При зміні вхідної напруги ПТ змінюється лише поперечне поле, що керує інтенсивністю потоку носіїв через канал. Вхідний струм транзистора – струм затвора – практично не змінюється як струм насичення – переходу в зворот­ному вмиканні. Отже, внаслідок слабкої зміни при зміні затворної напруги, а також із причини великого вхідного опору ПТ (малого струму ) вважають, що керування вихідним струмом приладу відбувається не за рахунок зміни вхідного струму, як у БТ, а внаслідок зміни вхідної напруги, як у вакуумному тріоді. Великий вхідний опір усіх ПТ порівняно з біполярними – це суттєва перевага польових приладів.

Нехай стокова напруга . Тоді при зміні можна досягти повного перекриття каналу внаслідок змикання запірних шарів. Канал у цьому випадку має дуже великий опір, а напруга, при якій це відбувається, називається напругою відсічення (). Напруга є важливим параметром ПТКП. Оцінимо її, а також дослідимо вплив напруги на товщину каналу .

Товщина – переходу, як відомо з першого розділу конспекту, дорівнює

(4.1)

Оскільки , то δ ≈ δ_p, і тоді для зворотної напруги затвора

(4.2)

Ширину каналу можна визначити згідно з рисунком 4.2 за формулою

, (4.3)

де - відстань між - областями затвора.

Як було зазначено, при канал перекри­вається . Для цього випадку з формули (4.3) випливає, що

.

Наприклад, для ПТКП з см і см маємо

В.

Оскільки контактна різниця потенціалів В, то можна вважати, що , і тоді

. (4.4)

Використовуючи рівності (4.3) та (4.4), можна одержати аналітичну залежність ширини каналу від напруги на затворі :

(4.5)

Оскільки опір каналу обернено пропорційний до його ширини, то існує така залежність:

, (4.6)

де – опір каналу при цій напрузі затвора;

- опір каналу при .

Тепер нехай . Напруга, що діє на стоці ПТКП, викликає протікання через канал і в зовнішньому колі струму . Струм стоку, протікаючи через ненульовий розподілений опір каналу, створює на ньому падіння напруги (рис. 4.5). На цьому рисунку вибрано переріз каналу на відстані х від витоку. Падіння напруги пропорційний величині опору ділянки каналу і струму стоку . Таким чином, у перерізі напруга на – переході +, оскільки напруга має той самий напрям, що й напруга , і її дія на – перехід еквівалентна дії додаткової зворотної напруги.

На основі цього можна одержати залежність ширини каналу від координати , тобто від величини напруги :

(4.7)

Рисунок 4.5 – До пояснення конфігурації каналу ПТКП при 

Очевидно, що падіння напруги при протіканні струму через канал залежить від координати . Так, біля витоку . Біля стоку (, де - довжина каналу) . З цього приводу можна вважати, що при ненульовій стоковій напрузі ширина каналу зменшується в напрямі від витоку до стоку згідно з формулою (4.7). Біля стоку ширина каналу мінімальна, оскільки :

. (4.8)

З формули (4.8) випливає, що при протіканні через канал ПТКП струму стоку опір каналу, а також струм через нього залежить і від напруги , і від напруги .

Розглянемо статичні характеристики ПТКП, які знімають за допомогою схеми рисунку 4.6. На цій схемі досліджуваний транзистор має канал -типу.

Рисунок 4.6 – Схема для експериментального зняття характеристик ПТКП

Не потрібно забувати, що під час дослідження транзистора з каналом -типу полярності підімкнення джерел живлення і вимірювальних приладів треба змінити на зворотні.