Полевые транзисторы. Введение.

Теоретические основы электроники
(Полевые транзисторы)

3.1. Введение

Полевые транзисторы (ПТ) - это транзисторы, свойства которых совершенно отличаются от свойств рассмотренных в предыдущей главе обычных транзисторов, называемых также биполярными, чтобы подчеркнуть их отличие от ПТ. В расширенном толковании, однако, они имеют много общего, так что их можно определить как приборы, управляемые зарядом. В обоих случаях мы имеем прибор с тремя выводами, в котором проводимость между двумя электродами зависит от наличия носителей заряда, которое в свою очередь регулируется напряжением, приложенным к третьему управляющему электроду.

Теперь о том, чем они отличаются друг от друга. В биполярном n-p-n - транзисторе переход коллектор - база смещен в обратном направлении и обычно ток через него не течет. Подача на переход база-эмиттер напряжения около 0,6 В преодолевает «потенциальный барьер» диода, приводя к поступлению электронов в область базы, где они испытывают сильное притяжение со стороны коллектора. Хотя при этом через базу будет протекать некоторый ток, большинство такого рода «неосновных носителей» захватывается коллектором. Результатом является коллекторный ток, управляемый (меньшим по величине) током базы. Ток коллектора пропорционален скорости инжекции неосновных носителей в базу, которая является экспоненциальной функцией разности потенциалов база- эмиттер (уравнение Эберса-Молла). Биполярный транзистор можно рассматривать как усилитель тока (с огрубленно постоянным коэффициентом усиления) или как прибор-преобразователь проводимости (Эберс-Молл).

В полевом транзисторе, как следует из его названия, проводимостью канала управляет электрическое поле, создаваемое приложенным к затвору напряжением. Здесь нет прямосмещенных p-n - переходов, так что ток через затвор не течет и это, возможно, - наиболее важное преимущество ПТ перед биполярными транзисторами. Как и последние, ПТ бывают двух полярностей: n - канальные (с проводимостью за счет электронов) и p - канальные (с дырочной проводимостью). Эти полярности аналогичны уже известным нам соответственно n-p-n и p-n-p - транзисторам биполярного типа. Однако разнообразие ПТ этим не ограничивается, что может приводить к путанице. Во-первых, ПТ могут изготавливаться с затворами двух различных типов (в результате мы имеем ПТ с p-n - переходом и ПТ с изолированным затвором, так называемые МОП-транзисторы), а во- вторых, -двумя типами легирования канала (что дает ПТ обогащенного и обедненного типа).

Характеристики полевых транзисторов

Иной новичок буквально «впадает в столбняк», впрямую сталкиваясь с обескураживающим разнообразием типов ПТ, разнообразием, возникающим как следствие возможных комбинаций полярности (n- и p-канальные), вида изоляции затвора (ПТ с полупроводниковым переходом или МОП-транзисторы с изолятором в виде окисла), а также типа легирования канала (ПТ обогащенного или обедненного типа). Из восьми имеющихся в результате этих комбинаций возможностей шесть могли бы быть реализованы, а пять-реализованы на практике. Основной интерес представляют четыре случая из этих пяти. Чтобы понять, как работает ПТ (и исходя из здравого смысла), будет правильно, если мы начнем только с одного типа, точно так, как мы сделали с биполярным npn -транзистором. Хорошо разобравшись с ПТ выбранного типа, мы в дальнейшем будем иметь минимум трудностей в изучении остальных членов этого семейства.

Входные характеристики ПТ. Рассмотрим вначале и-канальный МОП-транзистор обогащенного типа, биполярным аналогом которого является n-p-n - транзистор (рис. ниже). В нормальном режиме сток (или соответствующий ему коллектор) имеет положительный потенциал относительно истока (эмиттера). Ток от стока к истоку отсутствует, пока на затвор (базу) не будет подано положительное по отношению к истоку напряжение. В последнем случае затвор становится «прямосмещенным», и возникает ток стока, который весь проходит к истоку.

Типы ПТ

n-канальные, p-канальные ПТ. Теперь о генеалогическом древе. Во-первых, полевые транзисторы (как и биполярные) могут выпускаться обеих полярностей. Таким образом, зеркальным отображением нашего p-канального МОП-транзистора является n-канальный МОП-транзистор. Его характеристики симметричны и напоминают характеристики р-n-р -транзистора: сток нормально имеет отрицательное смещение по отношению к истоку, и ток стока будет проходить, если на затвор подать отрицательное по отношению к истоку напряжение не менее одного-двух вольт. Симметрия несовершенна, поскольку носителями являются не электроны, а дырки с меньшей «подвижностью» и «временем жизни неосновных носителей». Эти параметры полупроводника важны для свойств транзисторов, а выводы стоит запомнить: n-канальные ПТ имеют обычно более плохие характеристики, а именно более высокое пороговое напряжение, более высокое R_вкл и меньший ток насыщения.

МОП-транзисторы, ПТ с р-л-перехо- дом. У МОП-транзисторов (металл- окисел-полупроводник) затвор изолирован от проводящего канала тонким слоем Si0₂ (стекла), наращенного на канал (рис. ниже). Затвор, который может быть металлическим или легированным полупроводником, действительно изолирован от цепи исток-сток (характеристическое сопротивление >10¹⁴ Ом) и действует на проводимость канала только своим электрическим полем. Иногда МОП-транзисторы называют полевыми транзисторами с изолированным затвором. Изолирующий слой довольно тонкий, обычно его толщина не превышает длины волны видимого света и он может выдержать напряжение затвора до ±20 В и более. МОП-транзисторы просты в применении, поскольку на затвор можно подавать напряжение любой полярности относительно истока, и при этом через затвор не будет проходить никакой ток. Эти транзисторы, однако, в большой степени подвержены повреждениям от статического электричества, вы можете вывести из строя устройство на МОП-транзисторах буквально одним прикосновением.

Символическое изображение МОП - транзистора показано на рис. ниже. Здесь представлен дополнительный вывод, «тело» или «подложка»-кусок кремния, на котором выполнен ПТ. Так как подложка образует с каналом диодное соединение, напряжение на ней должно быть ниже напряжения проводимости. Она может быть соединена с истоком или с точкой схемы, в которой напряжение ниже (выше), чем у истока n-канального (р-канального) МОП-транзистора. Обычно на схемах вывод подложки не показывается; более того, часто инженеры используют символ с симметричным затвором.

Общая классификация ПТ

Генеалогическое древо (рис. ниже) и карта входных/выходных напряжений при заземленном истоке помогают разобраться в ситуации.

Различные приборы (включая весь «букет» биполярных npn- и pnp- транзисторов) нарисованы в квадрантах, характеризующих их входное и выходное напряжение в активной области при заземленном истоке (или эмиттере). При этом вовсе не обязательно запоминать свойства каждого из пяти представленных здесь типов ПТ, поскольку они в основном одинаковы.