1.7. Полевые транзисторы

Принцип действия полевых транзисторов (ПТ). В соответствии с определением в ПТ управление выходным током происходит под действием электрического поля. Рассмотрим, как это можно осуществить. Допустим, что имеется полупроводниковый материал в форме параллелепипеда (стержень, брусок) длиной , толщиной h и шириной b (рис. 1.19). В этот материал внедрены, например, акцепторные примеси. В свое время такую конструкцию рассматривал Шокли и предполагал, что примеси внедрены равномерно по всему объему.

Рисунок 1.19

Подключим к концам стержня электроды и назовем их исток и сток. Область полупроводника между истоком и стоком, по которой протекает ток, назовем каналом. Сопротивление полупроводникового стержня рассчитывается по формуле

. (1.19)

Здесь r_ПТ = l/(q_epm), где q_e — заряд электрона, К; m — дрейфовая подвижность носителей заряда, см²/(В·с); р— концентрация примесей, атом/см³.

Очевидно, ток будет зависеть от геометрических размеров стержня, концентрации примесей, подвижности носителей. В реальных приборах используют зависимость либо толщины канала, либо концентрации примесей в канале от электрического поля. С целью управления выходным током в приборе введен дополнительный электрод — затвор.

Управление током возможно с помощью: p-n перехода; конденсатора, образованного структурой «металл — диэлектрик — полупроводник»; перехода «металл — полупроводник», названного барьером Шотки. У полевых транзисторов с p-n переходом и барьером Шотки изменение выходного тока происходит из-за изменения эффективной толщины канала (содержащей подвижные носители заряда), а у МДП-транзисторов — за счет изменения концентрации носителей заряда

Упрощенные конструкции ПТ разных структур показаны на рис. 1.20.

Для реализации ПТ с управляющим p-n переходом у полупроводникового стержня p-типа сверху и снизу создают слои с высокой концентрацией донорной примеси N_д, соединенные между собой и подключенные к внешнему выводу — затвору. Эти слои принято обозначать n⁺. Структура n⁺-рпредставляет собой электронно-дырочный переход. Известно, что у электронно-дырочного перехода N_дh_n = N_ah_p. Следовательно, так как N_д>>N_а, то h_n<<h_p. Таким образом, рассматриваемый электронно-дырочный переход в основном расположен в p-области, а области с толщиной h_p, показанные на рис. 16.20, и, обеднены подвижными носителями заряда. Эффективная толщина канала, по которому протекает ток, h_i = h — 2h_p. Очевидно, ее можно менять, изменяя h_p за счет внешнего управляющего напряжения. Если к электронно-дырочному переходу прикладывать запирающее напряжение, h_p увеличивается, а эффектная толщина проводящего канала и, следовательно, выходной ток уменьшаются. При определенном запирающем напряжении (называемым напряжением запирания) области, обедненные подвижными носителями зарядов, смыкаются и выходной ток теоретически должен быть равен нулю. У реальных приборов в этом случае протекает незначительный ток, как и в обычных диодах при обратном включении.

Рисунок 1.20

Для удобства использования на практике в справочниках для маломощных ПТ с p-n переходом вместо напряжения запирания указывают напряжение отсечки U_{3И отс}, определяемой при токе стока I_c=10^-5 А. Если к электронно-дырочному переходу «затвор — канал» прикладывать отпирающее напряжение, то h_p уменьшается, а эффективная толщина проводящего канала увеличивается и стремится к максимально возможному значению h. Выходной ток в данном случае возрастает. Однако при определенных значениях отпирающего напряжения (превышающих 0,6 В для кремниевых приборов) возникают существенные прямые токи перехода «затвор — канал» и входное сопротивление прибора резко падает. В большинстве случаев применения ПТ это явление нежелательно. Поэтому обычно транзисторы с p-n переходом используют при запирающих входных напряжениях.

На рис. 1.20, б показана конструкция МДП транзистора. Здесь в исходном полупроводниковом материале p-типа, называемом подложкой, создается слой n-типа. Это слой выполняет функцию встроенного канала. Для обеспечения механизма управления током канала в транзисторе предусмотрены тонкий слой высококачественного диэлектрика (Д) и металлический слой (М), выполняющий функцию затвора (3). Если к затвору приложить положительный заряд, то по закону электростатической индукции в канале будет индуцироваться отрицательный заряд. За счет увеличения концентрации электронов, обусловленной их дополнительным поступлением из подложки и внешних областей транзистора (не перекрытых затвором), наблюдается возрастание тока канала. И наоборот, если к затвору приложить отрицательный заряд, то концентрация электронов в канале уменьшится и, следовательно, уменьшится ток канала.

Очевидно, МДП структура получится, если непосредственно на подложку последовательно нанести диэлектрический и металлический слои. Такой случай реализуется, если в структуре, показанной на рис. 1.20, б, отказаться от создания области с проводимостью n-типа, расположив там часть подложки p-типа. Теперь, если к затвору приложить достаточно большой положительный заряд, то по закону электростатической индукции в канале индуцируется соответствующий отрицательный заряд, увеличивается концентрация подвижных носителей n-типа и возникает проводящий канал. Такой транзистор получил название МДП ПТ с индуцированным каналом n-типа. Области n⁺ используются для создания низкоомных омических (невыпрямляющих) контактов стока и истока. Они же препятствуют протеканию существенного тока между выходными электродами ПТ при нулевом или отрицательном заряде на затворе. Это объясняется тем, что n⁺ -области и часть p-подложки образуют два последовательно встречно включенных между истоком и стоком электронно-дырочных перехода.

В зависимости от типа подложки, типа канала и числа затворов различают несколько разновидностей МДП ПТ. Следует отметить, что наличие диэлектрика между затвором и каналом обусловливает чрезвычайно высокое входное сопротивление МДП-транзисторов постоянному току любой полярности (R_вх = 10¹⁰…10¹⁴ Ом). Однако наличие емкости «затвор — канал», обеспечивающей управление выходным током прибора, приводит к заметному снижению входного сопротивления МДП ПТ на высоких частотах.

Полевые транзисторы с p-n переходом при одинаковых геометрических размерах с МДП-транзисторами могут иметь в рабочем режиме меньшие входные емкости. Это объясняется тем, что в рабочем режиме к электронно-дырочному переходу «затвор — канал» прикладывается запирающее напряжение и, следовательно, барьерная емкость перехода (аналогично варикапу) уменьшается.

Сочетание достоинств полевых транзисторов с p-n переходом и МДП ПТ реализуется в транзисторах с барьером Шотки, упрощенная конструкция которых приведена на рис. 1.20, в. Здесь в качестве управляющей цепи используется контакт «металл — полупроводник», обладающий выпрямительными свойствами и очень малой емкостью. Механизм управления аналогичен приборам с управляющим p-n переходом. В качестве исходного материала применяется обычно арсенид галлия n-типа. Это обеспечивает хорошие температурные, усилительные и частотные свойства приборов.

Графические обозначения ПТ разных типов и структур приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2