Полевые транзисторы

Добавлено 28 октября 2016 в 18:00

Глава 2 - Теория твердотельных приборов

Полевой транзистор был предложен Юлиусом Лилиенфельдом в патентное бюро США в 1926 и 1933 годах (1,900,018). Кроме того, Шокли, Браттейн и Бардин также исследовали полевой транзистор в 1947 году, но из-за трудностей отвлеклись на работу над биполярным транзистором. Теория полевого транзистора Шокли была опубликована в 1952 году. Тем не менее, технология обработки материалов достигла нужного уровня только в 1960 году, когда Джон Аталла создал работающий прибор.

Полевой транзистор (field effect transistor, FET) – это однополярное устройство, проводящее ток, используя только один тип носителей заряда. Если он построен на базе пластины полупроводника N-типа, носителями заряда являются электроны. И наоборот, прибор на базе полупроводника P-типа использует только дырки.

На уровне схемы работа полевого транзистора довольно проста. Напряжение, прикладываемое к затвору, входному выводу, управляет сопротивлением канала, однополярной области между областями затвора (рисунок ниже). В N-канальном приборе это слабо легированная пластина кремния N-типа с клеммами на концах. Выводы истока и стока аналогичны, соответственно, эмиттеру и коллектору биполярного транзистора. В N-канальном приборе сильнолегированная область P-типа с обеих сторон центра пластины служит в качестве управляющего вывода, затвора. Затвор аналогичен базе в биполярном транзисторе.

Для полевых транзисторов подходит фраза: «чистота находится рядом с благочестием». Если биполярный транзистор еще можно изготовить за пределами чистой комнаты, то для полевых транзисторов это обязательно. Даже в таких условиях, производство осложняется из-за проблем с контролем загрязнения. Однополярный полевой транзистор концептуально прост, но сложен в производстве. Большинство транзисторов сегодня представляют собой МОП-транзисторы (металл-оксид-полупроводник), разновидность полевых транзисторов, используемая в интегральных микросхемах. Однако, дискретные полевые транзисторы также доступны на рынке.

Полевой транзистор в поперечном сечении
Полевой транзистор в поперечном сечении

На рисунке выше показан N-канальный полевой транзистор с правильным смещением. Затвор образует P-N-переход к полупроводниковой пластине, идущей от истока к стоку. На затвор подано обратное смещение. Если приложить напряжение (или подключить омметр) между истоком и стоком, пластина N-типа из-за своего легирования будет проводить ток в любом направлении. Ни затвор, ни его смещение не требуются для проводимости тока. Если переход образован, как показано, то проводимостью можно управлять величиной обратного смещения.

Рисунок ниже (a) показывает обедненную область в переходе затвора. Она возникает из-за диффузии дырок из области затвора P-типа в канал N-типа, создавая разделение зарядов около перехода и непроводящую обедненную область в переходе. Обедненная область расширяется глубже в канал из-за сильного легирования затвора и слабого легирования канала.

Зависимость размера обедненной области и ширины канала полевого транзистора от величины обратного смещения перехода затвора
N-канальный полевой транзистор:
(a) Обедненная область у перехода затвора.
(b) Обратное смещение перехода затвора увеличивает обедненную область.
(c) Увеличение величины обратного смещения еще больше увеличивает обедненную область.
(d) Увеличение величины обратного смещения окончательно пережимает канал исток-сток.

Толщина обедненной области может увеличиваться (рисунок выше (b)) при прикладывании небольшого обратного смещения. Это увеличивает сопротивление канала между истоком и стоком за счет его сужения. Увеличение величины обратного смещения (рисунок (c)) увеличивает обедненную область, уменьшает ширину канала и увеличивает сопротивление канала. Еще большее увеличение напряжения обратного смещения VGS (рисунок (d)) полностью перекроет путь току через канал. Сопротивление канала станет очень высоким. Величина напряжения VGS, при котором происходит перекрытием канала, и ток через канал практически равен нулю, называется напряжением отсечки VP. Оно, как правило, составляет несколько вольт. Подводя итог, сопротивление канала может управляться величиной обратного смещения затвора.

Исток и сток взаимозаменяемы, а ток между истоком и стоком при низком напряжении батареи стока (< 0,6 В) может протекать в любом направлении. То есть, батарея стока может быть заменена низковольтным источником переменного тока. При источниках питания с высокими напряжениями (до десятков вольт для маломощных транзисторов) должна соблюдаться полярность, как показано на рисунке ниже (a). Этот источник питания стока, не показанный на предыдущих рисунках, искажает обедненную область, увеличивая ее со стороны затвора, ближайшей к стоку. Это более правильное представление для обычных источников постоянного тока стока, от нескольких единиц до десятков вольт. По мере увеличения напряжения стока VDS обедненная область затвора растягивается в сторону стока. Это увеличивает длину узкого канала, немного увеличивая его сопротивление. Мы можем говорить «немного» потому, что в основном изменение сопротивления зависит от изменения смещения затвора.

Рисунок ниже (b) показывает условное графическое обозначение N-канального полевого транзистора, соответствующее изображению поперечного сечения транзистора на рисунке (a). Стрелка затвора указывает в том же направлении, что и P-N-переход «диода» (в оригинале статьи так же, как и с диодом, предлагается алгоритм запоминания: «указывающая» («Pointing») стрелка соответствует полупроводнику P-типа, а «неуказывающая» («Non-pointing») полоса соответствует полупроводнику N-типа).

Включение P-канального полевого транзистора
P-канальный полевой транзистор:
(a) Затвор N-типа, канал P-типа, источники напряжения направлены в противоположные стороны по сравнению с N-канальным прибором.
(b) Обратите внимание, на перевернутые направление стрелки и источники напряжения на схеме.

По мере увеличения положительного напряжения смещения затвора, сопротивление P-канала увеличивается, уменьшая величину тока в цепи стока.

Дискретные устройства изготавливаются согласно поперечному сечению, показанному на рисунке ниже. Поперечное сечение, расположено так, что оно соответствует условному графическому обозначению, и поэтому полупроводниковая пластина перевернута вверх ногами. То есть, точки подключения затвора находятся наверху пластины. Затвор сильно легирован, P+, чтобы хорошо рассеивать дырки в канал для увеличения обедненной области. Места подключения истока и стока в N-канальном приборе сильно легированы, N+, для уменьшения сопротивления соединения. Тем не менее, канал поблизости с затвором легирован слабо, чтобы позволить дыркам из затвора проникать глубоко в канал. То есть, это область N-.

Полевой транзистор: УГО и поперечное сечение
Полевой транзистор: (a) поперечное сечение дискретного прибора, (b) условное графическое обозначение, (c) поперечное сечение интегральной микросхемы.

Все три вывода полевого транзистора доступны наверху кристалла интегральной микросхемы так, чтобы слой металлизации (не показан) мог соединять между собой несколько компонентов (рисунок выше (c)). Полевые транзисторы интегральных микросхем используются в аналоговых цепях из-за большого входного сопротивления затвора. Область N-канала под затвором должна быть очень тонкой так, чтобы внутренняя область около затвора могла управлять каналом и пережимать его. Таким образом, наличие областей затвора с обеих сторон канала не обязательно.

Полевой транзистор (со статической индукцией)
Полевой транзистор (со статической индукцией): (a) поперечное сечение, (b) условное графическое обозначение

Полевой транзистор со статической индукцией (SIT) – это прибор с коротким каналом и скрытым затвором (рисунок выше). В отличие от маломощных устройств это мощный прибор. Низкое сопротивление затвора и низкая емкость между затвором и истоком делают делают его быстродействующим коммутационным прибором. Такой транзистор может работать с токами в сотни ампер и напряжениями в тысячи вольт. И, как говорят, способен работать на невероятной частоте 10 ГГц.

Металл-полупроводник полевой транзистор (MESFET)
Полевой транзистор со структурой металл-полупроводник (MESFET): (a) условное обозначение, (b) поперечное сечение

Полевой транзистор со структурой металл-полупроводник (MESFET) похож на обычный полевой транзистор, за исключением того, что в нем, вместо P-N перехода, используется переход Шоттки. Диод Шоттки использует выпрямляющий контакт металла с полупроводником, а не обычный омический контакт металла и полупроводника. На рисунке выше исток и сток сильно легированы (N+). Канал легирован слабо (N-). Полевые транзисторы со структурой металл-полупроводник отличаются большим быстродействием по сравнению с обычными полевыми транзисторами. Работа MESFET транзисторов основана на режиме обеднения, как и у обычных полевых транзисторов. Они используются в СВЧ усилителях мощности на частотах до 30 ГГц. MESFET транзисторы могут изготавливаться из кремния, арсенида галлия, фосфида индия, карбида кремния и алмазного аллотропа углерода.

Подведем итоги

  • Однополярный полевой транзистор (FET или JFET) называется так потому, что проводимость в канале возникает только из-за одного типа носителей заряда
  • Исток, затвор и сток полевого транзистора соответствуют эмиттеру, базе и коллектору биполярного транзистора, соответственно.
  • Применение обратного смещения к затвору изменяет сопротивление канала за счет расширения обедненной области P-N перехода затвора.

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.


Сообщить об ошибке