Тема 4. Компоненти електронних кіл

Польовими транзисторами називають напівпровідникові прилади, виготовлені на основі напівпровідників одного типу електропровідності, керування струмом в яких здійснюють за допомогою електричного поля, прикладеного перпендикулярно до напряму протікання струму.

Їхня узагальнена структура подана на рис. 3.17.

Рис.3.17. Узагальнена структура польового транзистора: кристал напівпровідника n- або p- типу (1); керуюче електричне поле (2)

Область транзистора, по якій протікає струм, називають каналом. Виводи від протилежних боків каналу називають відповідно витоком (В) та стоком (С). Під витоком розуміють вивід, від якого розпочинається рух основних носіїв заряду по каналу. Стоком називають вивід, до якого руха­ються основні носії заряду.

Керування струмом, який протікає в каналі, здійснюють за допомогою випрямних електричних переходів, утворених в каналі, або за допомогою структури метал–діелектрик–напівпровідник (МДН), утвореної на поверхні каналу. Вивід від випрямного переходу або від МДН-структури називають затвором (З).

Польові транзистори, в яких використовують перший спосіб керування струмом, називають польовими транзисторами з керуючим переходом. Польові транзистори, в яких застосовують другий спосіб керування струмом, називають польовими транзисторами з ізольованим затвором, або просто МДН-транзисторами. Оскільки в МДН-структурі як діелектрик використо­вують окисел кремнію, що утворений на поверхні ка­налу, то існує ще одна назва МДН-транзисторів – МОН-транзистори (МОН  –  абревіатура словосполучення метал–окисел–напівпровідник).

 

Таблиця 3.1

Схемні позначення польових транзисторів

Примітка: літерою П позначають вивід від підкладки транзистора.

Канал МДН-транзисторів може бути сформований під час виготовлення транзистора або утворюватись (індукуватись) при прикладанні до затвора відповідної напруги. У зв’язку з цим МДН-транзистори поділяють на МДН-транзистори з вбудованим каналом та МДН-транзистори з індукованим каналом. Схемні позначення польових транзисторів подано в табл.3.1.

 

4.1. Польові транзистори з керуючим p-n – переходом 

Роль керуючого переходу може виконувати звичайний p-n – перехід, гетеро­перехід або бар’єр Шотткі. Найпоширенішими є польові транзистори з керуючим p-n – переходом (рис. 3.18), сформовані на основі кремнію.

Рис.3.18. Структура польового транзистора з керуючим p-n переходом та каналом n-типу

Робочим режимом польового транзистора з керуючими p-n – переходом є такий режим, за якого керуючий p-n – перехід зміщений у зворотному напрямі, тобто коли між затвором і витоком подається напруга, яка є зворотною для p-n – переходу. Принцип дії транзистора полягає в тому, що під час зміни зворотної напруги на керуючому p-n – переході змінюється ширина каналу, що зумовлює зміну його опору та, відповідно, струму, який протікає по ньому. Зокрема, у разі збільшення зворотної напруги p-n – переходу поперечний переріз каналу, його електропровідність та значення струму будуть зменшуватися, а у разі зменшення зворотної нап­руги – зростатимуть. Напругу між затвором і витоком, за якої транзистор закривається і його струм і_с наближається до нуля, називають напругою відтину  u_{ЗВ. відт}.

Залежність струму транзистора i_c від напруги u_ЗВ, прикладеної між за­твором і витоком, за деякої заданої напруги u_СВ = const називають переда­вальною або стокозатворною статичною ВАХ польового транзистора. Її типовий вигляд зображено на рис. 3.19, а.

Рис. 3.19. Стокозатворна (а) і стокові (б) статичні вольт-амперні характеристики польового транзистора  з керуючим p-n – переходом

Залежності струму стоку i_С від напруги u_СВ, прикладеної між стоком і витоком, за різних значень напруги u_зв, ма­ють типовий вигляд, зображений на рис. 3.19, б. Ці залежності називають вихідними статичними, або стоковими ВАХ.

На підставі стокових характеристик бачимо, що струм i_С із збільшенням напруги u_СВ спочатку доволі швидко зростає, а відтак його наростання майже зовсім припиняється. Це пояснюється тим, що за малих напруг u_СВ транзистор веде себе подібно до резистора: збільшення напруги u_СВ викликає майже лінійне наростання струму i_С. У разі подальшого збільшення напруги u_СВ канал в області стоку настільки звузиться, що зростання струму i_С із збільшенням напруги u_СВ майже припиняється – настає насичення. Горизонтальні ділянки стокових характеристик (ді­лянки насичення) є робочими ділянками польового транзистора.

За великих напруг u_СВ у транзисторі може виникати електричне пробиття керуючого p-n – переходу біля стоку. Значення  напруги u_СВ, за якої відбувається пробиття, залежить від напруги u_ЗВ, оскільки зворотна напруга на керуючому p-n – переході біля стоку дорівнює u_ЗВ + u_СВ. Отже, чим більше значення напруги u_ЗВ, тим за меншої напруги u_СВ настане пробиття.

Зміщення вихід­них ВАХ транзистора вниз зі збільшенням напруги u_ЗВ, пояснюється тим, що керуючий p-n – перехід розширюється (поперечний переріз каналу звужується), що приводить до зменшення струму, який протікає через транзистор.

Затворну (вхідну) характеристику звичайно не використовують, ос­кільки керуючий перехід закритий і струм затвора дуже малий (i_З=10 ⁸…10 ^–9А), тому часто його не враховують.

Рис. 3.20. Полярності зовнішних напруг польових транзисторів  з керуючим  p-n – переходом: n-канальних (а) та p-канальних (б)

 

На рис. 3.20 подано полярності зовнішних напруг та додатні напрями струмів польових транзисторів, які забезпечують нормальний режим роботи.

 

4.2. МДН-транзистори із вбудованим каналом 

МДН-транзистори із вбудованим каналом виготовляють у кристалі високоомного напівпровідника, який називають підкладкою. У підкладці дифузією акцепторних домішок утворюють дві локальні області n⁺ з підвищеною концентрацією домішок, які слугуватимуть витоком і стоком. Відстань між цими областями 5...50 мкм. Між областями витоку і стоку формують тонкий приповерхневий шар такого самого типу елект­ропровідності, як локальні області, який слугуватиме каналом. На поверхні каналу утворюють діелектричну плівку з окислу кремнію (SiO₂). Зверху на діелектрик навпроти каналу наносять металевий шар, який слугуватиме затвором. За допомогою таких самих металевих шарів, нанесених безпосередньо на області n⁺, утворюють площини, до яких приварюють виводи витоку і стоку. Знизу від підкладки також формують вивід (П).

Для прикладу на рис. 3.21 подана типова структура МДН-транзистора із вбудованим n-каналом на підкладці p-типу.

Рис.3.21. Структура МДН-транзистора з вбудованим n-каналом

 

Ізоляція транзистора від підкладки здійснюється за допомогою зворотнозміщеного p-n – переходу, утвореного між структурою транзистора та підкладкою. Для цього на вивід підкладки подають напругу відповідної полярності або з’єднують його з витоком.

У разі прикладання між стоком і витоком деякої напруги u_СВ в каналі МДН-транзистора потече cтрум i_С. Керування струмом здійснюється напругою u_ЗВ, яку подають між затвором і витоком. При додатній напрузі на затворі стосовно витоку електричне поле, утворене цією напругою, втягує з підкладки в канал додаткові електрони, збагачуючи його основними носіями заряду, і струм в каналі зростає. За від’ємної напрузи на затворі електричне поле виштовхує електрони з каналу в підкладку, збіднюючи канал на основні носії заряду, внас­лідок чого струм i_С зменшується. За достатньо великої від’ємної напруги на затворі концентрація електронів у каналі стає настільки малою, що струм i_С прямує до нуля. Таку напругу затвора називають напругою відтинання і позначають U_{ЗВ. відт}. Отже, змінюючи напругу u_ЗВ, можна змінювати провідність каналу та, відповідно, струм, що протікає в ньому. Зауважимо, що в МДН-транзисторах із вбудованим каналом змінюється не поперечний переріз каналу, а концентрація основних носіїв заряду в ньому і для керування струмом можна подавати на затвор як додатну, так і від’ємну напругу.

Залежність струму стоку i_С від напруги u_ЗВ для деякого фіксованого значення u_СВ = const називають передавальною або стокозатворною харак­теристикою, як для польового транзистора з керуючим p-n – переходом. Типовий вигляд цієї характеристики подано на рис. 3.22, а.

Рис. 3.22. Стокозатворна (а) і стокові (б) статичні ВАХ  МДН-транзистора із вбудованим каналом

Рис. 3.23.  Полярності зовнішних напруг польових танзисторів
 з вбудованим кана­лом: n-канальних (а) та p-канальних (б)

 

Вихідні (стокові) ВАХ МДН-транзистора із вбудованим каналом мають типовий вигляд, зображений на рис. 3.22, б, звідки бачимо, що вони подібні до вихідних ВАХ польового транзистора з керуючим p-n – переходом, проте напруга u_ЗВ може набувати як додатні, так і від’ємні значення. Якщо між стоком і витоком прикласти надто велику напругу, може виникнути пробиття ізолюючого p-n – переходу під стоком або пробиття діелектрика під затвором. На рис. 3.23 подано полярності зовнішніх напруг та додатні напрями струмів польових транзисторів із вбудованим каналом у нормальному робочому режимі.

 

4.3. МДН-транзистор з індукованим каналом 

МДН-транзистор з індукованим каналом відрізняється від по­переднього транзистора тим, що канал між облас­тями витоку і стоку під час виготов­лення не створюється. На рис. 3.47 зображена структура МДН-транзистора з індукованим n-ка­налом, виконаного на підкладці p-типу.

Рис.3.24. Структура МДН-транзистора з індуктивним n-каналом

 

За нульової напруги між затвором та витоком струм стоку буде дуже малим. Подання на затвор від’ємної напруги стосовно витоку також картини не змінить. При поданні на затвор стосовно витоку невеликої додатної напруги електричне поле, яке виникає під затвором, виштовхує дірки з приповерхневого шару в глибину підкладки і притягує електрони до поверхні. Внаслідок цього біля поверхні підкладки під затвором виникає шар з електронною провідністю, який і буде каналом між витоком і стоком. Нижче від каналу утворюється шар від’ємних нерухомих зарядів з іонізованих атомів акцепторних домішок підкладки, збіднений на носії заряду, який стає свого роду ізолятором між каналом і підкладкою.

Напругу між затвором і витоком, за якої електропровідність приповерхневого шару підкладки стає електронною, тобто за якої утворюється канал, називають пороговою напругою і позначають U_{ЗВ. пор}.

У разі подальшого збільшення додатної напруги u_ЗВ в утвореному каналі розпочнеться рух основних носіїв заряду (елект­ронів) від витоку до стоку, тобто потече електричний струм.

Значення струму  буде тим більшим, чим більша додатна напруга u_ЗВ, прикладена між затвором і витоком. Залежність струму стоку i_С від напруги затвор-витік u_ЗВ називають стокозатворною статичною ВАХ МДН-транзистора з індукованим каналом. Її типовий вигляд зображено на рис. 3.25, а.

Рис. 3.25. Стокозатворна (а) і стокові (б) статичні  ВАХ  МДН-транзистора з індукованим каналом n-типу

 

Залежності струму стоку i_С від напруги u_СВ, прикладеної між стоком і витоком, при різних значеннях напруги u_ЗВ зображено на рис. 3.25, б. Ці  залежності подібні  до стокових ВАХ лише за додатних напруг u_ЗВ, більших від U_{ЗВ. пор}. Із збільшенням напруги u_СВ ізолюючий шар від’ємних іонів, який формується під каналом, у напрямі стоку розширюється, а канал відповідно звужується, внаслідок чого настає режим насичення, як і у польових транзисторів з керуючим p-n – переходом чи з вбудованим каналом. У разі прикладання між стоком і витоком надто великої напруги u_СВ може виникнути пробиття ізолюючого p-n – переходу в області стоку транзистора.

Рис. 3.26. Полярності зовнішних напруг польових транзисторів
з індукованим каналом: n-канальних (а)  та p-канальних (б)

 

На рис 3.26 подано полярності зовнішніх напруг та додатні напрями струмів польових транзисторів з індукованим каналом у нормальному робочому режимі.