fon1

Полевой транзистор: типы и устройство

Идея создания полевого транзистора с изолированным затвором была предложена еще почти сто лет тому назад ( в 1926 году), а в 1953 году была создана другая конструкция - полевой транзистор с управляющим p-n переходом.
В отличии от биполярного транзистора, где сила основного тока регулируется управляющим током, в полевом транзисторе проходящий через него ток управляется электрическим полем, который создается подаваемым напряжением на затвор.

polev.tr.

Полевой транзисторы(ПТ) имеют перед биполярным ряд существенных преимуществ:
а) большое входное сопротивление;
b) относительно большой ток транзистора управляется только электрическим полем затвора ( откуда и название "полевой транзистор" );
с) быстрее реагирует на изменяющие входные сигналы, т.е. могут работать на более высоких частотах;
d) имеет низкий уровень шумов.
Но помимо преимуществ есть и недостатки:
а) если коэффициент усиления по току у ПТ намного больше чем у биполярных транзисторов, то по напряжению он у ПТ будет всего около 20;
b) большая входная емкость;
с) чувствительность к электростатическому напряжению, которая может привести к пробою транзистора.

Еще в начале развития создания схем на полевых транзисторах редко использовали из-за слабости транзисторов к механическим и электрическим воздействиям, а также нестабильности параметров. Сейчас же, при развитой технологии производства, эти проблемы стали разрешаемыми и использование полевых транзисторов намного увеличилось, особенно в цифровой технике.
Полевые транзисторы делятся на две группы: с управляющим p-n переходом и с управлением изолированным затвором.

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом

Все транзисторы делятся на два класса - биполярные и униполярные.
В биполярных транзисторах одновременно в работе участвуют как положительные так и отрицательные носители. У униполярных (полевых) транзисторов основной ток обусловлен или электронами, или положительными "дырками" в зависимости от типа проводимости полупроводникового стержня из которой сделан транзистор.
polev

Конструктивно полевой транзистор с управляющим p-n переходом состоит из полупроводниковой пластины n или р типа с контактами по краям на которые подключается напряжение. Электрод, через который втекают в канал полупроводника носители заряда, называется истоком (И), а откуда вытекают - стоком (С). В центральной части стержня полевого транзистора находится небольшая область полупроводника (p или n) по типу противоположная проводимости пластины. В месте соединения полупроводников образуется p-n переход к которому подключен электрод управления транзистора - затвор (З).

Сам p-n переход представляет собой тонкий изолирующий обедненный слой вокруг р-перехода ( на рис. зона (1)).
При подаче напряжения на электроды стока и истока появляется злектрический ток, созданный электронами, который проходит через проводящий канал имеющий длину равную расстоянию между электродами и ширину размером равную перпендикулярному сечению полупроводника по отношению к направлению тока.
Когда в полевом транзисторе протекает ток, то количество электронов в канале увеличивается и, соответственно, запорный р-n переход ( на рис. зона (2) ) становится шире и канал сужается .
Потенциал электрического поля возрастает от истока к стоку, поэтому ширина p-n перехода будет меньше около истока и шире у стока, т.е. у стока канал будет поуже и его сопротивление будет больше, а ток меньше.
Регулировать ширину канала можно подавая на затвор разную полярность и величину управляемого напряжения.

Если увеличивать обратное напряжение Uзи (минус), то толщина p-n перехода будет увеличиваться, а толщина канала и ток уменьшаться. При определенном напряжении на затворе полевого транзистора сечение канала станет равным нулю и тока через него не будет (штриховая линия). В этом случае это называется режимом отсечки.

tr3

Когда подается прямое напряжение Uзи (плюс), тогда ширина p-n перехода уменьшается и Iст в транзисторе увеличивается.

Если величина обратного напряжения изменяется как входной сигнал Uвх, то это приведет к изменению ширины канала и его сопротивления, т.е. изменению тока стока и появлению сигнала на Rн. Величину усиления входного сигнала полевым транзистором осуществляют подбором нагрузочного сопротивления.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Полевой транзистор с изолированным затвором могут называться как МОП-транзистор (металл-оксид-полупроводник), так и МДП-транзистор (металл-диэлектрик-полупроводник). В качестве диэлектрика обычно применяется оксид кремния SiO2.
Они делятся на МДП (МОП) транзисторы с встроенным и с индуцированным каналами.
МДП транзисторы отличаются от ПТ с p-n переходом тем, что затвор изолирован от полупроводника диэлектриком. Благодаря диэлектрику затвор электрически не связан с полупроводником, что дало возможность увеличить входное сопротивление полевого транзистора до 1017 Ом.

МДП-транзистор с встроенным каналом

Такой полевой транзистор представляет собой кристалл полупроводника p или n- типа который называется подложкой.
На кристалле, допустим р-типа, созданы две сильно легированные (обогащенные) области противоположного типа относительно подложки (в нашем случае n-типа). Это будет исток и сток транзистора на которые нанесен слой диэлектрика.
Между ними встраивается тонкий канал состоящий из слаболегированного (обедненного) слоя полупроводника с типом проводимости как у истока и стока .
Сверху диэлектрика нанесен металлический электрод - затвор. Получается "бутерброд": металл - диэлектрик - полупроводник. Металлические выводы, соединяющие области n-типа, через диэлектрик выводят наружу. Так же от подложки идет вывод, который обычно соединяют с истоком, и его потенциал принимают за нулевой.

polev1

При подаче напряжения между истоком и стоком, при нулевом напряжении на затворе (Uзи=0), через встроенный канал (на рис. границы толщины канала: сплошная линия 1.0 - диэлектрик) будет протекать начальный ток стока Iст.нач., который представляет собой поток электронов находящихся в канале.

Подавая положительное напряжение на затвор создаем электрическое поле которое будет притягивать электроны из подложки в канал, а дырки выталкивать из него. Канал, получая дополнительно основные носители заряда, расширяется (пунктирная линия 3(+) - диэлектрик); его проводимость увеличивается, Icи возрастет и транзистор работает в режиме насыщения.

При отрицательном напряжении на затворе электроны будут выталкиваются в подложку, а дырки из подложки втягиваются в канал и он обедняясь электронами, сужается ( линия 2(-) - диэлектрик). Это приводит к уменьшению тока Iси относительно Iст.нач. Полевой транзистор переходит в режим обеднения.

МДП-транзистор с индуцированным каналом

polev2

Этот полевой транзистор выполнен без встроенного обедненного слоя полупроводника между истоком и стоком.

Поэтому, при отсутствии напряжении на затворе и подаче напряжения любой полярности на исток и сток, между ними не будет тока, т.к. один из p-n переходов, образованный р-подложкой и областями n-проводимости, закрыт.

Если подать на управление полевого транзистораположительное напряжение, то возникшее электрическое поле начнет из приграничной зоны выталкивать положительно заряженные дырки и на их место притягивать электроны из подложки.
Когда концентрация электронов превысит концентрацию дырок сформируется тонкий канал n-типа и между истоком и стоком появится ток. Чем больше напряжение на затворе тем толще канал, а значит и больше протекающий через него ток.
Отсюда следует, что транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения.

tr6
<< Предыдущая Cледующая >>

Вверх

radionet