Полевые транзисторы с изолированным затвором со встроенным каналом
Полевые транзисторы с изолированным затвором (IGFET) – это однополярные устройства, как и обычные полевые транзисторы (JFET): то есть управляемый ток не должен проходить через PN переход. В транзисторе имеется PN переход, но его единственное назначение – обеспечить непроводящую обедненную область, которая используется для ограничения тока через канал.
Ниже показана структура N-канального полевого транзистора с изолированным затвором со «встроенным» каналом:
Обратите внимание на то, что вывод стока соединяется с любым концом N-канала, и что вывод затвора прикреплен к металлической пластине, отделенной от канала тонким изолирующим барьером. Этот барьер иногда выполняется из двуокиси кремния (основного химического соединения, находимого в песке), которая является очень хорошим изолятором. Из-за конструкции Метал (затвор) – Оксид (барьер) – Полупроводник (канал) полевые транзисторы с изолированным затвором иногда называют МОП транзисторами или MOSFET транзисторами (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Однако существуют и другие типы конструкции полевых транзисторов с изолированным затвором, поэтому аббревиатуры «IGFET» и «МДП» являются лучшим описанием для этого общего класса транзисторов.
Также обратите внимание на то, что у полевого транзистора с изолированным затвором имеется четыре вывода. На практике вывод подложки непосредственно соединен с истоком, чтобы сделать эти два вывода общими. Обычно это соединение выполняется внутри МДП транзистора, устраняя отдельное соединение подложки, в результате чего получается трехвыводное устройство с немного отличающимся условным обозначением.
Поскольку исток и подложка объединены, слои N и P МДП транзистора в конечном итоге напрямую связаны друг с другом через внешний провод. Это соединение предотвращает воздействие любого напряжения на PN переход. В результате между этими двумя материалами существует обедненная область, но она никогда не может быть расширена или сужена. Работа полевого транзистора основана на расширении обедненной области PN перехода, но здесь, в МДП транзисторе, этого быть не может, поэтому работа МДП транзистора должна основываться на другом эффекте.
Действительно, поскольку, когда управляющее напряжение подается между затвором и источником, проводимость канала изменяется в результате того, что обедненная область движется ближе или дальше от затвора. Другими словами, эффективная ширина канала изменяется так же, как и в полевом транзисторе, но это изменение ширины канала связано со смещением обедненной области, а не с ее расширением.
В N-канальном полевом транзисторе с изолированным затвором управляющее напряжение, прикладываемое плюсом к затвору и минусом к истоку, имеет эффект отталкивания обедненной области PN перехода, расширяющего канал N-типа и увеличивающего проводимость:
Изменение полярности управляющего напряжения имеет противоположный эффект, притягивание обедненной области и сужение канала и, следовательно, уменьшение проводимости канала:
Изолированный затвор допускает использование управляющего напряжения любой полярности без опасности прямого смещения перехода, что было важно для обычных полевых транзисторов. Этот тип полевого транзистора с изолированным затвором, хотя его называют в англоязычной литературе «depletion-type» (тип с обеднением), фактически имеет возможность либо обеднения своего канала (канал сужается), либо его насыщения (канал расширяется). Полярность входного напряжения определяет, какое влияние будет оказываться на канал.
Понять то, какая полярность имеет какой эффект, не так сложно, как может показаться. Ключом является рассмотрение типа полупроводникового легирования, используемого в канале (N-канал или P-канал?), а затем связывание этого типа легирования с выводом источника входного напряжения, подключенного к каналу через вывод истока. Если МДП транзистор является N-канальным, и входное напряжение подключено так, что плюс находится на затворе, а минус – на истоке, канал будет увеличен, поскольку дополнительные электроны накапливаются на канальной стороне диэлектрического барьера. Подумайте, «минус источника соответствует N-типу, тем самым насыщая канал соответствующим типом носителей заряда (электронами) и делая его более проводящим». И наоборот, если входное напряжение подключено к N-канальному МДП транзистору другим способом (минус подключен к затвору, а плюс – к истоку), свободные электроны будут «отняты» от канала, так как конденсатор затвор-канал будет заряжаться, что приводит к истощению канала в плане основных носителей заряда и к уменьшению его проводимости.
Для P-канальных полевых транзисторов с изолированным затвором полярность входного напряжения и воздействия на канал следуют тому же правилу. То есть, требуется полярность, противоположная той, при которой N-канальный МДП транзистор либо истощается, либо насыщается:
Покажем соответствие полярностей смещения на стандартных условных обозначениях полевых транзисторов с изолированным затвором:
Когда между затвором и истоком прикладывается нулевое напряжение, полевой транзистор с изолированным затвором будет проводить ток между истоком и стоком, но не такой большой, как если бы он был насыщен соответствующим напряжением затвора. Это помещает полевые транзисторы с изолированным затвором со встроенным каналом (англ. «depletion-type» IGFET или просто D-type IGFET) в свою собственную категорию транзисторов. Биполярные транзисторы являются нормально выключенными устройствами: при отсутствии тока базы они блокируют любой ток через коллектор. Полевые транзисторы являются нормально включенными устройствами: при прикладывании нулевого напряжения затвор-исток они обеспечивают максимальный ток стока (на самом деле, вы можете выжать из полевого транзистора бо́льшие токи стока, прикладывая небольшое напряжение прямого смещения между затвором и истоком, но на практике так никогда не стоит делать из-за риска повреждения его хрупкого PN перехода). Однако МДП транзисторы со встроенным каналом являются нормально наполовину включенными устройствами: без напряжения затвор-исток их уровень проводимости находится где-то между отсечкой и полным насыщением. Кроме того, они допускают прикладывание напряжений затвор-исток любой полярности, причем PN переход невосприимчив к повреждению из-за изолирующего барьера и, в частности, из-за прямого соединения между истоком и подложкой, предотвращающего любую разность потенциалов на переходе.
По иронии судьбы поведение проводимости МДП транзистора со встроенным каналом поразительно похоже на поведение проводимости электронной лампы из ряда триодов/тетродов/пентодов. Эти устройства были регуляторами тока, управляемыми напряжением, которые также пропускали через себя ток при прикладывании нулевого управляющего напряжения. Управляющее напряжение одной полярности (минус на сетке, и плюс на катоде) уменьшало бы проводимость через лампу, в то время как напряжение противоположной полярности (плюс на сетке, и минус на катоде) увеличивало бы проводимость. Интересно, что одна из более поздних конструкций транзистора демонстрирует те же основные свойства, что и самое первое активное (электронное) устройство.
Несколько анализов в SPICE продемонстрируют регулирующее ток поведение МДП транзисторов со встроенным каналом. Во-первых, тест с нулевым входным напряжением (затвор закорочен на исток) и с изменением напряжения питания от 0 до 50 вольт. На графике показан ток стока:
n-channel igfet characteristic curve m1 1 0 0 0 mod1 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end
Как и ожидалось для любого транзистора, управляемый ток остается постоянным на уровне стабилизации в широком диапазоне напряжений питания. В данном случае эта точка стабилизации составляет 10 мкА (1.000E-05). Теперь давайте посмотрим, что произойдет, когда мы приложим отрицательное напряжение к затвору (относительно истока) и будем изменять напряжение питания в том же диапазоне от 0 до 50 вольт:
n-channel igfet characteristic curve m1 1 3 0 0 mod1 vin 0 3 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end 
Неудивительно, что ток стока теперь стабилизируется на более низком значении 2,5 мкА (по сравнению с 10 мкА при нулевом входном напряжении). Теперь давайте приложим входное напряжение другой полярности, чтобы насытить МДП транзистор:
n-channel igfet characteristic curve m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end
При насыщении транзистора с помощью небольшого управляющего напряжения ток стока теперь увеличивается до 22,5 мкА (2.250E-05). Из этих трех наборов значений напряжений и графиков тока должно быть очевидно, что отношение между током стока и напряжением затвор-исток нелинейно, как это было и с полевым транзистором. При истощающем напряжении 1/2 вольта ток стока составляет 2,5 мкА; при 0 вольт на входе ток стока поднимается до 10 мкА; и при насыщающем напряжении 1/2 вольта ток стока составляет 22,5 мкА. Чтобы лучше понять эту нелинейность, мы можем использовать SPICE для построения графика тока стока в зависимости от входного напряжения, изменяя напряжение от отрицательного (истощающего) значения до положительного (насыщающего) значения, поддерживая напряжение питания V1 на постоянном значении.
n-channel igfet m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 dc 24 .model mod1 nmos vto=-1 .dc vin -1 1 0.1 .plot dc i(vammeter) .end
Подобно тому, как это было с обычными полевыми транзисторами, эта присущая МДП транзисторам нелинейность может вызывать искажения в схеме усилителя, так как входной сигнал не будет воспроизводиться со 100-процентной точностью на выходе. Также обратите внимание, что напряжение затвор-исток примерно 1 вольт в направлении истощения может пережать канал, так что тока стока практически не будет. МДП транзисторы со встроенным каналом, как и обычные полевые транзисторы, имеют определенное напряжение отсечки. Этот параметр точно зависит от конкретного транзистора и может быть не таким, как в нашем моделировании.
Вычислив набор кривых характеристик МДП транзистора, мы увидим диаграмму, не похожую на диаграмму для обычного полевого транзистора:
