Уніполярні (польові) транзистори

До класу уніполярних відносять транзистори, принцип дії яких заснований на використанні носіїв заряду тільки одного знаку (електронів або дірок). Керування струмом в уніполярному транзисторах здійснюється зміною провідності каналу через який протікає струм транзистора під впливом електричного поля. Внаслідок цього уніполярні транзистори називають також польовими. По способу створення каналу розрізняють польові транзистори з переходом, вбудованим каналом і індукованим каналом, останні два типи відносять до різновидів МДП - транзисторів.

Підвищений інтерес до цих приладів зумовлений їхньою високою технологічністю, гарною відтворюваністю необхідних параметрів, а також меншою вартістю в порівнянні з біполярними транзисторами. З електричних параметрів польові транзистори відрізняє їх високий вхідний опір.

Транзистори з р- п- переходом

Аналіз роботи польового транзистора з - переходом проведемо на його моделі, показаної на рис. 1.28, а. В наведеній конструкції канал протікання струму транзистора являє собою шар напівпровідника -типу, розташований між двома - переходами. Канал має контакти із зовнішніми електродами приладу. Електрод, від якого починають рух носії заряду (у цьому випадку електрони), називають витоком, а електрод, до якого вони рухаються - стоком. Напівпровідникові шари - типу, що утворять з - шаром два - переходу, створені з більше високою концентрацією домішки, чим - шар. Обидва - шари електрично зв'язані між собою й мають загальний зовнішній електрод, який називається затвором. Подібну конструкцію мають і польові транзистори з каналом - типу. Умовні позначки польових транзисторів з каналами - - і - типів наведені на рис. 1.28, б, в.

Полярність зовнішніх напруг, що підводяться до транзистора, показана на рис. 1.28, а. Керуюча (вхідна) напруга подається між затвором і витоком. Напруга є зворотною для обох - переходів. У вихідний ланцюг, в який входить канал транзистора, включається напруга позитивним полюсом до стоку.

Керуючі властивості транзистора пояснюються тим, що при зміні напруги змінюється ширина його - переходів, що являють собою ділянки напівпровідника, збіднені носіями заряду. Оскільки - шар має більшу концентрацію домішки, ніж - шар, зміна ширини - переходів відбувається в основному за рахунок більше високоомного - шару (ефект модуляції ширини бази). Тим самим змінюються перетин струмопровідного каналу і його провідність, тобто вихідний струм приладу.

Особливістю польового транзистора є те, що на провідність каналу впливає як керуюча напруга так і напруга .

Вплив напруг, що підводяться, на провідність каналу ілюструє рис. 1.29, а - в, де для простоти не показані ділянки - шару, розташовані поза -переходами.

На рис. 1.29, а зовнішня напруга прикладена тільки до вхідного ланцюга транзистора. Зміна напруги приводить до зміни провідності каналу за рахунок зміни на однакову величину його перетину по всій довжині каналу. Але вихідний струм , оскільки .

Рис 1.29. Поведінка польового транзистору з - переходом і каналом - типу при прикладенні зовнішніх напруг: а) ‑ ; б) ‑ в) ‑ .

Рис. 1.29, 6 ілюструє зміну перетину каналу при впливі тільки напруги (). При через канал протікає струм , в результаті чого створюється спад напруги, що зростає в напрямку стоку. Сумарне падіння напруга ділянки джерело - стік дорівнює . В силу цього потенціали точок каналу - типу будуть неоднаковими по його довжині, зростаючи в напрямку стоку від нуля до . Потенціал же точок - області щодо джерела визначається потенціалом затвору щодо джерела й у цьому випадку дорівнює нулю. В зв'язку із зазначеним зворотна напруга, прикладена до - переходів, зростає в напрямку від джерела до стоку й - переходи розширюються в напрямку стоку Дане явище призводить до зменшення перетину каналу від джерела до стоку (рис. 1.29, б). Підвищення напруги викликає збільшення спадання напруги в каналі й зменшення його перетину отже, зменшення провідності каналу. При деякій напрузі відбувається звуження каналу, при якому границі обох - переходів змикаються (рис. 1.29, б) і опір каналу стає високим.

На рис. 1.29, в відображений результуючий вплив на канал зворотних напруг й . Канал показаний для випадку змикання - переходів.

Розглянемо вольт - амперні характеристики польових транзистора з - переходом. Для цих транзисторів викликають інтерес два види вольт-амперних характеристик: стокові й стоко - затворні. Стокові (вихідні) характеристики польового транзистора з - переходом і каналом - типу показані на рис. 1.30. Вони відбивають залежність струму стоку від напруги стік - виток при фіксованій напрузі затвор - виток і представляються у вигляді сімейства кривих. На кожній із цих кривих можна виділити три характерні області: ‑ сильна залежність струму від напруги (початкова область); ‑ слабка залежність струму від напруги ; ‑ пробій - переходу.

Розглянемо вихідну характеристику польового транзистора при (рис. 1.29, б). В області малих напруг (ділянка ) вплив напруги на провідність каналу незначний, в зв'язку з чим тут є практично лінійна залежність . В міру збільшення напруги (ділянка ) звуження струмопровідного каналу робить все більше істотний вплив на його провідність, що призводить до зменшення крутизни наростання струму. При підході до границі з ділянкою (точка ) перетин струмопровідного каналу зменшується до мінімуму в результаті змикання обох - переходів. Подальше підвищення напруги на стоці не повинне призводити до збільшення струму через прилад, тому що одночасно з ростом напруги буде збільшуватися опір каналу. Деяке збільшення струму на експериментальних кривих пояснюється наявністю різного роду витоків і впливом сильного електричного поля в - переходах, що прилягають до каналу.

Ділянка різкого збільшення струму характеризується лавинним пробоєм області - переходів поблизу стоку по ланцюзі стік - затвор Напруга пробою відповідає точці .

Прикладання до затвору зворотної напруги викликає звуження каналу (рис. 1.29, а) і зменшення його вихідної провідності. Тому початкові ділянки кривих, що відповідають більшим напругам на затворі, мають меншу крутизну наростання струму (рис. 1.30). Через наявність напруги перекриття каналу об'ємним зарядом - переходів (рис. 1.29, в) відбувається при меншій напрузі й границі ділянок та будуть відповідати менші напруги стік - витік. Напругам перекриття каналу відповідають абсциси точок перетинання стокових характеристик з пунктирною кривою, показаною на рис. 1.30. При менших напругах наступає й режим пробою транзистора по ланцюзі стік - затвор.

Важливим параметром польового транзистора є напруга на затворі, при якому струм стоку близький до нуля. Вона відповідає напрузі закривання приладу по ланцюзі затвору й називається напругою закривання або відсікання . Числове значення напруги дорівнює напрузі в точці вольтів - амперної характеристики при .

Оскільки керування вихідним струмом польових транзисторів за рахунок зміни напруги вхідного ланцюга, у них викликає інтерес так звана перехідна або стоко - затворна вольт - амперна характеристика. Стоко - затворна характеристика польового транзистора показує залежність струму стоку від напруги затвор - витік при фіксованій напрузі стік - витік: Зразковий вид цієї характеристики показаний на рис. 1.31. Стоко - затворна характеристика пов'язана з вихідними характеристиками польового транзистора й може бути побудована по ним. Основними параметрами польового транзистора є: максимальний струм стоку , максимальна напруга стоку , напруга відсікання , внутрішній опір , крутизна , вхідний опір , а також міжелектродні ємності затвор - витік , затвор - стік і стік - витік .

Максимальне значення струму стоку відповідає його значенню в точці на вихідних характеристиках (при ). Максимальне значення напруги стік - витік вибирають в разів менше напруги пробою ділянки стік - затвор при . Напрузі відсікання відповідає напруга на затворі при струмові стоку, близькому нулю. Внутрішній опір транзистора характеризує нахил вихідної характеристики на ділянці (рис. 1.31). Крутизна на стоко - затворної характеристики відображає вплив напруги затвору на вихідний струм транзистора. Крутизну знаходять по стоко - затворній характеристиці приладу (рис. 1.30).

Вхідний опір транзистора визначається опором - переходів, зміщених у зворотному напрямку. Вхідний опір польових транзисторів з - переходом досить великий, що вигідно відрізняє їх від біполярних транзисторів. Міжелектродні ємності і пов'язані головним чином з наявністю в приладі - переходів (рис. 1.29), що примикають відповідно до стоку й витоку.

Польові транзистори з - переходом випускаються на струми до й напруги . Приведемо типові значення параметрів цих транзисторів: , , , , , .

Вплив температури на характеристики й параметри розглянутого класу транзисторів зумовлюється температурними залежностями контактної різниці потенціалів й рухливості носіїв заряду (електронів або дірок).

Величина фактично є однією із складових напруги зворотно зміщених - переходів. Зміна залежно від температури призводить до зміни напруги на переходах і їхньої ширини, а отже, до зміни перетину струмопровідного каналу і його провідності. З ростом температури контактна різниця потенціалів зменшується, що позначається на збільшенні перетину каналу й підвищенні його провідності. Внаслідок зменшення рухливості носіїв заряду провідність каналу зменшується з підвищенням температури.

Вплив температури на характеристики й параметри польового транзистора виявляється досить складним і по-різному проявляється в конкретних типах приладів цього класу. Температурні залежності характеристик і параметрів транзисторів приводяться в довідниках.

Схема заміщення польового транзистора з - переходом показана рис. 1.32, а. Вона характеризує роботу транзистора на ділянці вихідних характеристик для змінних складових струму і напруги. При її побудові були використані наступні міркування. Струм приладу на ділянці визначається напругою на затворі (вході) і крутизною, у зв'язку з чим у вихідний ланцюг схеми заміщення введене джерело струму . Паралельно джерелу струму включений опір , що враховує вплив напруги стоку на струм приладу. Величини , відбивають вплив міжелектродних ємностей на роботу транзистора в області високих частот. Для області низьких частот схема заміщення польового транзистора має вигляд, показаний на рис. 1.32,б.

МДП – транзистори

На відміну від польових транзисторів з - переходом, у якому затвор має безпосередній електричний контакт із прилеглою областю струмопровідного каналу, у МДП - транзисторах затвор ізольований від зазначеної області шаром діелектрика. Із цієї причини МДП - транзистори відносять до класу польових транзисторів з ізольованим затвором.

МДП - транзистори (структура метал - діелектрик - напівпровідника) виконують із кремнію. Як діелектрик використовують окисел кремнію . Звідси інша назва цих транзисторів МОП - транзистори (структура метал - окисел - напівпровідник). Наявність діелектрика забезпечує високий вхідний опір розглянутих транзисторів ().

Принцип дії МДП - транзисторів заснований на ефекті зміни провідності приповерхневого шару напівпровідника на границі з діелектриком під впливом поперечного електричного поля. Приповерхневий шар напівпровідника є струмопровідним каналом цих транзисторів. МДП - транзистори виконують двох типів - з вбудованим і з індукованим каналом.

МДП - транзистори являють собою в загальному випадку чотирьохелектродний прилад. Четвертим електродом (підложкою), що виконує допоміжну функцію, є вивід від підложки вихідної напівпровідникової пластини. МДП - транзистори можуть бути з каналом - або - типу. Умовні позначки МДП - транзисторів показані на рис. 1.33, а-е.

Розглянемо особливості МДП - транзисторів з вбудованим каналом. Конструкція такого транзистора з каналом - типу показана на рис. 1.34, а.

У вихідній пластині кремнію - типу за допомогою дифузійної технології створені області витоку, стоку й каналу - типу. Шар окисла виконує функції захисту поверхні, прилеглої до витоку й стоку, а також ізоляції затвора від каналу. Вивід підложки (якщо він є) іноді приєднують до витоку.

Стокові (вихідні) характеристики польового транзистора з вбудованим каналом - типу для випадку з'єднання підложки із джерелом показані рис. 1.34, б. По виду ці характеристики близькі до характеристик польового транзистора з - переходом. Розглянемо характеристики при , що відповідає з'єднанню затвора із витоком. Зовнішня напруга прикладена до ділянки витік - стік позитивним полюсом до стоку. Оскільки , через прилад протікає струм, зумовлений вихідною провідністю каналу. На початковій ділянці , коли спадання напруги в каналі мале, залежність близька до лінійної. По мірі наближення до точки спадання напруги в каналі приводить до все більш істотного впливу його звуження (пунктир на рис. 1.34, а) на провідність каналу, що зменшує крутизну наростання струму на ділянці . Після точки струмопровідний канал звужується до мінімуму, що викликає обмеження наростання струму й появу на характеристиці пологої ділянки .

Покажемо вплив напруги затвор - витік на хід стокових характеристик.

У випадку прикладання до затвору напруги () поле затвора відразливо впливає на електрони - носії заряду в каналі, що призводить до зменшення їхньої концентрації в каналі й провідності каналу. Внаслідок цього стокові характеристики при розташовуються нижче кривої, що відповідає . Режим роботи транзистора (), при якому відбувається зменшення концентрації заряду в каналі, називають режимом збідніння.

При подачі на затвор напруги поле затвора притягує електрони в канал із - шару напівпровідникової пластини, концентрація носіїв заряду в каналі збільшується, що відповідає режиму збагачення каналу носіями. Провідність каналу зростає, струм збільшується. Стокові характеристики при розташовуються вище вихідній кривій ().

Для транзистора є межа підвищення напруги через настання пробою ділянки стік – затвор, яка прилягає до стоку. На стокових характеристиках пробою відповідає досягнення деякої величини (область ). У випадку напруга збільшується, у зв'язку із чим при пробій наступає при меншій напрузі .

Приблизний вигляд стоко - затворної характеристики транзистора з вбудованим каналом ілюструє рис. 1.34, б. Її відмінність від стоко - затворної характеристики транзистора з - переходом (рис. 1.31) зумовлена можливістю роботи приладу як при (режим збідніння) так і при (режим збагачення).

Конструкція МДП - транзистора з індукованим каналом типу показана на рис. 1.35, а. Канал провідності струму тут спеціально не створюється, а утворюється (індукується) завдяки струму електронів з напівпровідникової пластини у випадку прикладання до затвору напруги позитивної полярності відносно витоку. За рахунок припливу електронів у приповерхньому шарі відбувається зміна електропровідності напівпровідника тобто індукується струмопровідний канал - типу, що з'єднує області стоку й витоку. Провідність каналу зростає з підвищенням прикладеного до затвора напруги позитивної полярності. Таким чином, транзистор з індукованим каналом працює тільки в режимі збагачення.

Стокові (вихідні) характеристики польового транзистора з індукованим каналом - типу наведені на рис. 1.35, б. Вони близькі до аналогічних характеристик транзистора з вбудованим каналом і мають той же характер залежності . Відмінність полягає в тім, що керування струмом транзистора здійснюється напругою однієї полярності, яка співпадає з полярністю напруги . Струм дорівнює нулю при , в той час як у транзисторі з вбудованим каналом для цього необхідно змінити полярність напруги на затворі щодо витоку. Вид стоко - затворної характеристики транзистора з індукованим каналом показаний на рис. 1.35, в. МДП - транзистори обох типів випускаються на той же діапазон струмів і напруг, що й транзистори з - переходом. Приблизно такий же порядок величин мають крутизна і внутрішній опір . Що стосується вхідного опору й міжелектродних ємностей, то МДП - транзистори мають кращі показники, чим транзистори з - переходом. Як вказувалося, вхідний опір їх становить . Значення міжелектродних ємностей не перевищує: для ‑ , для ‑ . Схема заміщення МДП - транзисторів аналогічна схемі заміщення польових транзисторів з - переходом (рис. 1.32).

МДП - транзистори широко застосовуються в інтегральному виконанні. Мікросхеми на МДП - транзисторах мають гарну технологічність, низьку вартістю, здатність роботи при більш високій напрузі живлення, ніж мікросхеми на біполярних транзисторах.