Принцип действия полевых транзисторов (ПТ). В соответствии с определением в ПТ управление выходным током происходит под действием электрического поля. Рассмотрим, как это можно осуществить. Допустим, что имеется полупроводниковый материал в форме параллелепипеда (стержень, брусок) длиной , толщиной h и шириной b (рис. 1.19). В этот материал внедрены, например, акцепторные примеси. В свое время такую конструкцию рассматривал Шокли и предполагал, что примеси внедрены равномерно по всему объему.

Рисунок 1.19

Подключим к концам стержня электроды и назовем их исток и сток. Область полупроводника между истоком и стоком, по которой протекает ток, назовем каналом. Сопротивление полупроводникового стержня рассчитывается по формуле

. (1.19)

Здесь r_ПТ = l/(q_epm), где q_e — заряд электрона, К; m — дрейфовая подвижность носителей заряда, см²/(В·с); р— концентрация примесей, атом/см³.

Очевидно, ток будет зависеть от геометрических размеров стержня, концентрации примесей, подвижности носителей. В реальных приборах используют зависимость либо толщины канала, либо концентрации примесей в канале от электрического поля. С целью управления выходным током в приборе введен дополнительный электрод — затвор.

Управление током возможно с помощью: p-n перехода; конденсатора, образованного структурой «металл — диэлектрик — полупроводник»; перехода «металл — полупроводник», названного барьером Шотки. У полевых транзисторов с p-n переходом и барьером Шотки изменение выходного тока происходит из-за изменения эффективной толщины канала (содержащей подвижные носители заряда), а у МДП-транзисторов — за счет изменения концентрации носителей заряда

Упрощенные конструкции ПТ разных структур показаны на рис. 1.20.

Для реализации ПТ с управляющим p-n переходом у полупроводникового стержня p-типа сверху и снизу создают слои с высокой концентрацией донорной примеси N_д, соединенные между собой и подключенные к внешнему выводу — затвору. Эти слои принято обозначать n⁺. Структура n⁺-рпредставляет собой электронно-дырочный переход. Известно, что у электронно-дырочного перехода N_дh_n = N_ah_p. Следовательно, так как N_д>>N_а, то h_n<<h_p. Таким образом, рассматриваемый электронно-дырочный переход в основном расположен в p-области, а области с толщиной h_p, показанные на рис. 16.20, и, обеднены подвижными носителями заряда. Эффективная толщина канала, по которому протекает ток, h_i = h — 2h_p. Очевидно, ее можно менять, изменяя h_p за счет внешнего управляющего напряжения. Если к электронно-дырочному переходу прикладывать запирающее напряжение, h_p увеличивается, а эффектная толщина проводящего канала и, следовательно, выходной ток уменьшаются. При определенном запирающем напряжении (называемым напряжением запирания) области, обедненные подвижными носителями зарядов, смыкаются и выходной ток теоретически должен быть равен нулю. У реальных приборов в этом случае протекает незначительный ток, как и в обычных диодах при обратном включении.

Рисунок 1.20

Для удобства использования на практике в справочниках для маломощных ПТ с p-n переходом вместо напряжения запирания указывают напряжение отсечки U_{3И отс}, определяемой при токе стока I_c=10^-5 А. Если к электронно-дырочному переходу «затвор — канал» прикладывать отпирающее напряжение, то h_p уменьшается, а эффективная толщина проводящего канала увеличивается и стремится к максимально возможному значению h. Выходной ток в данном случае возрастает. Однако при определенных значениях отпирающего напряжения (превышающих 0,6 В для кремниевых приборов) возникают существенные прямые токи перехода «затвор — канал» и входное сопротивление прибора резко падает. В большинстве случаев применения ПТ это явление нежелательно. Поэтому обычно транзисторы с p-n переходом используют при запирающих входных напряжениях.

На рис. 1.20, б показана конструкция МДП транзистора. Здесь в исходном полупроводниковом материале p-типа, называемом подложкой, создается слой n-типа. Это слой выполняет функцию встроенного канала. Для обеспечения механизма управления током канала в транзисторе предусмотрены тонкий слой высококачественного диэлектрика (Д) и металлический слой (М), выполняющий функцию затвора (3). Если к затвору приложить положительный заряд, то по закону электростатической индукции в канале будет индуцироваться отрицательный заряд. За счет увеличения концентрации электронов, обусловленной их дополнительным поступлением из подложки и внешних областей транзистора (не перекрытых затвором), наблюдается возрастание тока канала. И наоборот, если к затвору приложить отрицательный заряд, то концентрация электронов в канале уменьшится и, следовательно, уменьшится ток канала.

Очевидно, МДП структура получится, если непосредственно на подложку последовательно нанести диэлектрический и металлический слои. Такой случай реализуется, если в структуре, показанной на рис. 1.20, б, отказаться от создания области с проводимостью n-типа, расположив там часть подложки p-типа. Теперь, если к затвору приложить достаточно большой положительный заряд, то по закону электростатической индукции в канале индуцируется соответствующий отрицательный заряд, увеличивается концентрация подвижных носителей n-типа и возникает проводящий канал. Такой транзистор получил название МДП ПТ с индуцированным каналом n-типа. Области n⁺ используются для создания низкоомных омических (невыпрямляющих) контактов стока и истока. Они же препятствуют протеканию существенного тока между выходными электродами ПТ при нулевом или отрицательном заряде на затворе. Это объясняется тем, что n⁺ -области и часть p-подложки образуют два последовательно встречно включенных между истоком и стоком электронно-дырочных перехода.

В зависимости от типа подложки, типа канала и числа затворов различают несколько разновидностей МДП ПТ. Следует отметить, что наличие диэлектрика между затвором и каналом обусловливает чрезвычайно высокое входное сопротивление МДП-транзисторов постоянному току любой полярности (R_вх = 10¹⁰...10¹⁴ Ом). Однако наличие емкости «затвор — канал», обеспечивающей управление выходным током прибора, приводит к заметному снижению входного сопротивления МДП ПТ на высоких частотах.

Полевые транзисторы с p-n переходом при одинаковых геометрических размерах с МДП-транзисторами могут иметь в рабочем режиме меньшие входные емкости. Это объясняется тем, что в рабочем режиме к электронно-дырочному переходу «затвор — канал» прикладывается запирающее напряжение и, следовательно, барьерная емкость перехода (аналогично варикапу) уменьшается.

Сочетание достоинств полевых транзисторов с p-n переходом и МДП ПТ реализуется в транзисторах с барьером Шотки, упрощенная конструкция которых приведена на рис. 1.20, в. Здесь в качестве управляющей цепи используется контакт «металл — полупроводник», обладающий выпрямительными свойствами и очень малой емкостью. Механизм управления аналогичен приборам с управляющим p-n переходом. В качестве исходного материала применяется обычно арсенид галлия n-типа. Это обеспечивает хорошие температурные, усилительные и частотные свойства приборов.

Графические обозначения ПТ разных типов и структур приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Статические характеристики ПТ. В качестве статических характеристик ПТ представляются функциональные зависимости между токами и напряжениями, прикладываемыми к их электродам: входная характеристика I₃ = f(U_зи) при U_си = const; характеристика обратной передачи I₃=f(U_си) при U_зи = const; характеристика прямой передачи I_с=f(U_зи) при U_си = const; выходная характеристика I_с = f(U_си) при U_зи = const.

На практике широко используются лишь две поcледние характеристики, причем первую из них часто называют характеристикой передачи.

Входная характеристика и характеристика обратной передачи используются редко, так как в абсолютном большинстве случаев применения входные токи ПТ (10^-8...10^-12 А) пренебрежительно малы по сравнению с токами, протекающими через элементы, подключенные к их входам.

Ориентировочный вид характеристик передачи ПТ разных типов и структур показан в табл. 1.2.

Основные параметры, интересующие разработчиков электронной аппаратуры, могут быть получены из семейства выходных (стоковых) характеристик. Поэтому они заслуживают подробного рассмотрения.

Стоковые характеристики ПТ разных структур и типов приведены на рис. 1.21. Условно их можно разбить на четыре области: крутую, пологую, пробоя и возникновения прямых токов затвора. В крутой области наблюдается резко выраженная зависимость тока стока I_с от напряжений сток — исток U_си и затвор — исток U_зи. Здесь транзистор ведет себя как сопротивление, управляемое напряжением U_зи. Пологая область отделена от крутой геометрическим местом точек (кривая ОА на рис. 1.21), для которых выполняется условие: U_си = U_зи — U_{ЗИ oтс}. Для пологой области характерна слабовыраженная зависимость I_с = f(U_си).

При больших напряжениях на стоке наблюдается резкое увеличение I_с, и если мощность рассеивания на стоке превышает допустимую, то происходит необратимый пробой участка «затвор— сток». При подаче на вход ПТ запирающего напряжения увеличивается разность потенциалов между затвором и стоком. В этом случае пробой наблюдается при меньшем напряжении U_си на величину напряжения U_зи.

В отличие от электронных ламп ПТ могут работать и при смене полярности выходного напряжения. Однако необходимо помнить, что, как только напряжение U_си превысит напряжение U_зи на величину контактной разности потенциалов U_к p-n перехода, возникает прямой ток затвора и входное сопротивление резко падает.

Область возникновения токов затвора, как показано на рис. 1.21, отделена от крутой области геометрическим местом точек (кривая OB), для которых выполняется соотношение U_си = U_зи + U_к.

Рисунок 1.21

Выходные характеристики МДП-транзисторов также можно условно разбить на вышеупомянутые области, исключив область возникновения прямых токов затвора. Однако следует учитывать, что аналогичная область будет иметь место и у МДП-транзисторов, если их подложка соединена с истоком. В последнем случае при обратной полярности стокового напряжения возникают прямые тока подложки.

С целью увеличения рабочих токов и, следовательно, крутизны в современных приборах широкое применение находит параллельное соединение элементарных ячеек. Такое решение используется, в частности, в мощных МДП-транзисторах.

В пологой области статические характеристики идеального ПТ любого типа описываются уравнением

, (1.20)

где b_ПТ — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транзистора и свойства материала, из которого транзистор изготовлен.

Значение b_ПТ можно выразить через параметры ПТ. Например, в случае ПТ с p-n переходом и МДП-транзисторов со встроенным каналом b_{ПТ встр} = 2I_со/U²_{ЗИ отс}, где I_со — ток насыщения стока при U_зи = 0. В случае использования ПТ с индуцированным каналом b_{ПТ инд} = 2I_с/(U_ЗИпор - U_зи)², где U_ЗИпор — пороговое напряжение ПТ, соответствующее току стока I_с = 10^-5 А; I_с — ток насыщения стока, измеренный при входном напряжении U_ЗИ = 2U_{ЗИ пор}.

Дифференцируя, находим, что крутизна характеристики тока стока по напряжению на затворе у идеального ПТ является линейной функцией напряжения U_ЗИ:

. (1.21)

Характеристики реального ПТ с p-n переходом отличаются от идеализированных из-за несовершенства технологии изготовления, наличия сопротивлений между рабочей областью транзистора и внешними выводами стока и истока (называемых немодулированными сопротивлениями), зависимости подвижности носителей от потенциалов, прикладываемых к электродам ПТ. У МДП-транзисторов дополнительное влияние на характеристики оказывают поверхностные состояния, эффекты поверхностного рассеивания, состояние подложки.

В крутой области ПТ ведет себя как сопротивление, управляемое напряжением. Управляя проводимостью канала ПТ, можно изменять либо коэффициент передачи напряжения аттенюатора, либо усиления каскада, охваченного регулируемой обратной связью и т. п. При этом к каналу ПТ прикладывается все напряжение сигнала или его часть, а к участку «затвор — исток» — управляющее напряжение (в общем случае изменяющееся по произвольному закону). Регулировка проводимости ПТ может осуществляться как при наличии постоянной составляющей тока в цепи канала, так и без нее. В первом случае регулировка аналогична осуществляемым с помощью ламп и биполярных транзисторов и сопровождается изменением режима по постоянному току. Важнейшей особенностью ПТ является возможность регулировки их выходной проводимости при отсутствии постоянной составляющей в цепи канала. В последнем случае точка покоя выбирается в начале координат. Регуляторы, реализующие такой режим работы ПТ, имеют ряд достоинств: простую схему, высокую экономичность (за счет отсутствия цепи питания стока и потребления ею энергии), а также максимальный диапазон регулирования.

В крутой области статические характеристики таких ПТ описываются уравнением

. (1.22)

Взяв производную функции при U_си ® 0, найдем выходную активную проводимость канала:

. (1.23)

Таким образом, при малых напряжениях U_си выходная проводимость канала идеального ПТ линейно зависит от напряжения U_зи.

Как указывалось выше, характеристики реального ПТ отличаются от идеализированных. Наиболее близка к идеализированной характеристика ПТ простой конструкции. У ПТ сложной конструкции, состоящих из большого количества элементарных ячеек, существенные отклонения от идеализированной характеристики наблюдается при U_зи, близких к нулю и напряжению запирания. В первом случае основной причиной отклонения является наличие немодулированных сопротивлений стока и истока, во втором — неидентичность элементарных ячеек прибора и неоднородности в канале.

В паспортных данных ПТ обычно проводятся данные о крутизне S₀, напряжении отсечки U_{ЗИ oтс}и токе насыщения стока I_C0 в типовом режиме. В случае ПТ с характеристиками передачи, близкими к квадратичной параболе, достаточно знать только два из упомянутых параметров, чтобы отыскать третий, используя соотношение

S₀ = 2I_C0 / U_{ЗИ отс}. (1.24)

Зная значения крутизны ПТ в пологой области, можно предсказать, какие значения будет иметь проводимость канала в крутой области. Это объясняется следующим образом. Сравнив выражение, описывающее зависимость S_ПТ идеального транзистора от U_ЗИ в пологой области с выражением, описывающим зависимость проводимости канала G от U_ЗИ в крутой области, нетрудно заметить, что они идентичны.

Параметры ПТ. Основными параметрами ПТ, приводимыми в справочных данных, являются: крутизна, внутреннее сопротивление, коэффициент усиления; ток утечки затвора, междуэлектродные емкости.

Крутизна передаточной характеристики в типовом режиме S_ПТ = di_C / dU_ЗИ | _{Uси = const}. В частности, для ПТ с p-n переходом в справочниках приводится значение крутизны при U_СИ = const и U_ЗИ = 0 и обозначается S₀. Значение крутизны ПТ S₀ можно рассчитать по известным параметрам: току стока насыщения при U_ЗИ = 0, I­_C0 и напряжению отсечки U_{ЗИ отс} по формуле. Крутизну ПТ можно определить, используя передаточную характеристику или семейство выходных характеристик. Отечественные ПТ имеют крутизну от 0,15 мА/В (КП101Г) до 510 мА/В (КП904).

Внутреннее (дифференциальное) сопротивление R_i = du­_СИ / di_С |_{Uзи = const}. Внутреннее сопротивление ПТ в рабочей точке можно найти, используя семейство выходных характеристик ПТ, по формуле R_i = DU_СИ / DI_С |_{Uзи = const}.

Следует помнить, что у реальных ПТ значение R_i в пологой области существенно возрастает при увеличении запирающего напряжения U_зи (например, порядка 10⁴ Ом при U_зи = 0 и более 10⁶ Ом при U_зи ® U_{ЗИ отс}).

Статический коэффициент усиления, показывающий, во сколько раз изменение напряжения на затворе воздействует эффективнее на ток стока I_с, чем изменение напряжения на стоке

.

Коэффициент усиления можно определить, используя семейство выходных характеристик или расчетным путем по формуле m_ПТ=R_iS_ПТ. Типичные значения m_ПТ — несколько сотен единиц.

Ток утечки затвора. Полевые транзисторы имеют очень малые токи утечки I_{З ут} (обычно 10^-8...10^-12 А). Это обусловливает очень высокие значения входного сопротивления ПТ постоянному току (более 10⁸ Ом).

Между электродные емкости: проходная С_зс, входная С_зи, выходная С_си. Емкости ПТ определяют частотные свойства транзисторов. Особенно сильное влияние на частотные свойства ПТ оказывает проходная емкость.

Полевой транзистор, как и биполярный, можно представить в виде эквивалентного четырехполюсника. При работе ПТ с сигналами малых амплитуд такой четырехполюсник можно считать линейным. Поскольку ПТ, как и электронная лампа, является прибором, управляемым напряжением, то рационально использовать систему уравнений с Y-параметрами. Токи в этой системе считают функциями напряжений:

I_З = f₁(U_ЗИ, U_СИ); I_C = f₂(U_ЗИ, U_СИ).

Тогда

(1.25)

— входная проводимость;

— проводимость обратной передачи;

— проводимость прямой передачи;

— выходная проводимость.

Заметим, что Y-параметры определяются в режиме короткого замыкания для переменной составляющей тока на входе (Y₂₂ и Y₁₂) и на выходе (Y₂₁ и Y₁₁). Это трудно обеспечить на низких частотах и легко на высоких частотах.

Особенности реальных ПТ. При изготовлении современных ПТ широко используется планарная технология. Выводы приборов находятся в одной плоскости. При такой конструкции затвор не перекрывает полностью канал, поэтому имеются немодулированные сопротивления стока R_С и истока R_И. С целью улучшения усилительных свойств и мощности широкое применение находит параллельное соединение элементарных ячеек (транзистор КП103 содержит 5 ячеек, КП903 — 100).

Транзисторы со структурой МДП нуждаются в элементах защиты от пробоя статическим электричеством. При хранении и транспортировке выводы МДП-транзисторов, не имеющих встроенной защиты, должны быть соединены между собой.

При работе ПТ в режиме усиления следует учитывать конечное значение выходного сопротивления. Выходное сопротивление реальных ПТ в пологой области при U_ЗИ — 0 гораздо меньше, чем при U_ЗИ ® U_{ЗИ отс}:

.

где R_iн—динамическое сопротивление ПТ при U_СИ = U_ЗИотс и U_ЗИ = 0.

Эквивалентные схемы ПТ. Полевые транзисторы, по существу, являются приборами с распределенными параметрами. Распределенное сопротивление канала возрастает в направлении контакта стока, а сам канал расположен между двумя распределенными емкостями «канал — подложка» С_КП и «канал — затвор» С_КЗ.. Управление сопротивлением канала происходит с помощью распределенного генератора тока (рис. 1.22, а).

На практике используют упрощенные модели, напоминающие модели электронных ламп. Упрощенная физическая модель ПТ приведена на рис. 1.22, б. Здесь R_И — сопротивление между рабочей областью транзистора и внешним выводом прибора (называемое немодулированным сопротивлением истока). Рассматривая ПТ как прибор с зависимыми источниками, нетрудно увидеть, что он близок по свойствам к источнику тока, управляемому напряжением (ИТУН).

Рисунок 1.22