Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом

Полевые транзисторы представляют собой тонкую пластинку полупроводника, обычно кремния, с одним p-n-переходом в центральной части и двумя контактами по краям (рис. 2.11). Управление электрическим током осуществляется поперечным электрическим полем, приложенным к управляющему электроду. Контакт, от которого начинают движение основные носители заряда, называют истоком, а контакт, к которому они двигаются через канал, - стоком. Электрод, используемый для управления поперечного сечения канала, называется затвором.

Рис. 2.11. Полевой транзистор с обратно смещенным p-n-переходом

Увеличение напряжения на затворе относительно истока приводит к уменьшению сечения канала и к увеличению его сопротивления, по которому проходит ток стока I_с, кроме того, при постоянном значении напряжения U_с.и уменьшается и значение I_с. При определенном значении

напряжения U_з.и, называемом напряжением отсечки U_{з.и отс}, сечение канала уменьшается до нуля. Ток стока I_с. становится также равным нулю, т. е. исток и сток оказываются изолированными друг от друга.

Таким образом, ток стока I_c определяется напряжением U_з.и (электрическим полем затвора), смещающим p-n-переход в обратном направлении. Отсюда и название — полевой транзистор.

Схема включения полевого транзистора с общим истоком (рис. 2.12, а) и семейство его статических стоковых характеристик (рис. 2.12, б)

U_з.и = 0. При малых значениях U_с.и ток стока I_c определяется законом Ома — участок ОБ характеристики. На этом участке сечение канала максимально, т. е. канал полностью открыт. При увеличении напряжения U_с.и уменьшается рост тока стока I_c — участок БВ характеристики. Это объясняется сужением стокового канала участка и увеличением его сопротивления.

В точке В напряжение между стоком и истоком U_с.и достигает значения, которое называется напряжением насыщения U_с.и.нас. В этой точке ток с тока I_c достигает значения тока насыщения I_c.нас и в дальнейшем остается практически неизменным при увеличении U_с.и. При отрицательных напряжениях на затворе U_з.и < 0 исходные значения сечения канала уменьшаются, поэтому начальные участки стоковых характеристик будут более пологими и режим насыщения произойдет при меньших значениях напряжения и тока стока.

В рабочих режимах используют только пологие участки стоковых характеристик. При больших значениях напряжения между стоком и истоком U_с.и происходит пробой структуры полупроводника на стоке.

Рис. 2.12. Схема полевого транзистора с общим истоком:

а – схема включения; б – семейство выходных (стоковых) характеристик

2. Полевые транзисторы с изолированным затвором -МДП или МОП –транзисторы (МДП металл-диэлектрик- полупроводник, МОП- металл – окисел - полупроводник).

Отличаются от полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом тем, что электрод затвора изолирован от полупроводниковой пластины канала тончайшим слоем (сотые доли микрона) двуокиси кремния SiO₂, которая является хорошим диэлектриком.

Рис. 2.13. Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-транзисторы):

а - в непроводящем состоянии; б - в проводящем состоянии

На пластинке из кремния р-типа (подложке), под стоком и истоком создаются области n-типа. В результате области n-типа истока и стока образуют с полупроводником подложки p-типа два p-n-перехода. Таким образом, напряжение сток-исток U_с.и прикладывается к двум последовательно встречно включенным p-n-переходам. Поэтому при любой полярности напряжения между стоком и истоком U_с.и и отсутствии напряжения на затворе U_з.и один из этих p-n-переходов оказывается включенным в обратном направлении и препятствует прохождению тока стока I_c (рис. 2.13, а).

При подаче небольшого положительного напряжения на затвор U_з.и создается его электрическое поле. Затвор становится положительно заряженной обкладкой конденсатора, а слаболегированный р-канал — отрицательно заряженной обкладкой. Они разделены диэлектриком SiO₂. Следовательно, на канале р-типа начнут скапливаться отрицательные заряды — электроны. Положительный заряд на затворе индуцирует появление в канале р-типа электронов, которые притягиваются полем затвора.

При некотором положительном напряжении на затворе (U_з.и = U_з.и.пор), называемом пороговым напряжением затвора, в узком слое канала р-типа непосредственно под затвором концентрация наводимых полем электронов превосходит исходную концентрацию дырок в слаболегированном канале р-типа. Это явление приводит к изменению характера носителей зарядов в канале — возникает инверсия электропроводности. Вместо полупроводника р-типа в пределах этого слоя образуется полупроводник n-типа. Это приводит к исчезновению двух последовательно включенных p-n-переходов между стоком и истоком и образованию сплошного проводящего канала n-типа (рис. 2.13, б).