Устройство и принцип действия полевого транзистора с электронно-дырочным переходом

При изготовлении полевого транзистора с n-p -переходом (рис. 3.1) на каждую из боковых граней пластин n- или p -полупроводника на­носится слой материала с противоположным типом проводимости.

Эти слои образуют в месте контакта с пластиной односторонние n-p -переходы. Оба слоя материала, нанесенные на боковые грани, чаще всего электрически соединены и образуют электрод, имеющий внешний вывод через омический контакт, с помощью которого к n-p -переходу подводится напряжение. Этот электрод называется затвором (3). Торцы пластины снабжены элект­родами, имеющими омические

кон­такты, с помощью которых прибор включается в электрическую цепь. К этим

электродам подключается источник постоянного напряжения U_си. Электрод, от которого под дей­ствием напряжения U_CИ движутся носители зарядов, называется истоком (И); электрод, собирающий носители зарядов, называется стоком (С).

При включении в схе­му сток и исток можно менять местами. Такое включение назы­вается инверсным. Объем, за­ключенный между n-p-переходами, называется каналом. Условные обозначения транзисторов с ка­налами n- и p- типа приведены на рис. 3.2,а и б соответственно.

 

Положим, что исходная пластина изготовлена из полупроводника p- типа. В этом случае сток подключается к отрицательному полюсу источника ЭДС, а исток - к положительному. Если к затвору полевого транзистора приложить положительное по отношению к истоку и являющееся обратным для n-p -перехода напряжение U_зи то толщина обедненного слоя n-p-перехода увели­чится, а сечение канала уменьшится. Следовательно, меняя напряже­ние U_зи, можно изменять электрическое сопротивление канала. В ре­зультате будет меняться ток I_с, протекающий в цепи исток — сток под действием приложенного к стоку напряжения U_cи. Если исток и сток заземлены, то сечение канала на всем его протяжении будет одинаковым, так как обратное смещение n-p-переходов постоянно и равно U_зи.

При достаточно большом положительном смещении на за­творе обедненный слой переходов займет весь канал. Для того чтобы толщина обедненного слоя изменялась, главным образом, в сторону канала, область затвора должна иметь повышенную проводимость по отношению к исходной пластине. Напряжение на затворе, при кото­ром поперечное сечение канала становится равным нулю, называется напряжением отсечки U_{зи отс}. Приложение напряжения U_cи меняет конфигурацию канала. Потенциал канала у истока равен нулю, а вблизи стока —

U_cи. Напряжение на n-p-переходе вблизи истока бу­дет равно U_зи, а вблизи стока — U_зи + ׀U_cи׀. Область обедненного слоя у стокового конца расширяется.

В цепи затвора протекает малый ток обратносмещенного n-p-пе­рехода I_з. Поэтому входная проводимость полевого транзистора для постоянного тока и переменного тока низкой частоты может быть очень малой (сопротивление большое).

3.2 МДП – транзисторы

МДП - транзистор с индуцированным каналом. ВМДП - транзисторах затвор и канал изолированы пленкой диэлектрика (рис. 3.3,а).

Каналом является тонкий слой на поверхности пластины (подложки) с противоположным типом проводимости. Затвор представляет собой тонкую пленку алюминия, нанесенную на поверхность окисла крем­ния. Исток и сток выполнены в виде сильно легированных p -областей (концентрация дырок 10¹⁸…10²⁰ см^-3) в пластине кремния n-типа. Если на­пряжение на затворе отсутствует, то сопротивление между истоком и стоком, определяемое двумя вклю­ченными встречно n-p -переходами в местах контакта n-подложки и p -областей, очень велико.

Возникно­вение канала основано на так назы­ваемом эффекте поля, т.е. измене­нии концентрации носителей в при­поверхностном слое полупроводни­ка под действием электрического поля. При подаче на затвор отрица­тельного по отношению к истоку напряжения, в полупроводнике возникает электрическое поле,

 

 

кото­рое вытягивает из n-подложки дырки, увеличивая их концентрацию в тонком приповерхностном слое и изменяет тип его проводимости на противоположный. Этот тонкий слой p -типа называется индуциро­ванным или наведенным слоем. Он образует проводящий канал, сое­диняющий p -области истока и стока. При увеличении отрицательно­го напряжения затвора толщина p -слоя и его проводимость возраста­ют. Таким образом можно управлять током стока транзистора. Напря­жение затвора, при котором в приборе формируется канал, называет­ся пороговым напряжением U_{зи пор}.

Если при ׀U_зи׀ > ׀U_{зи пор}| подать отрицательное напряжение на сток, то в канале появится продольное электрическое поле и возникнет дрейфовое движение дырок от исто­ка к стоку. При изменении напряжения U_си будет меняться дрейфо­вая скорость движения дырок в канале, а следовательно, и ток I_с. Ве­личина порогового напряжения у транзисторов с индуцированным ка­налом лежит в пределах от 1 до 6 В. Условные обозначения МДП -транзисторов с индуцированным каналом n- и p -типа показаны на рис. 3.3,б и в соответственно.

Величина тока в цепи затвора транзистора очень мала, так как сопротивление изоляции между затвором и каналом достигает 10¹⁵ Ом.

МДП -транзистор со встроенным каналом. В таких МДП -транзисторах канал на этапе изготовления образуется тонким слоем полу­проводника, нанесенного на подложку и имеющего противополож­ный по отношению к ней тип проводимости. Эти транзисторы отли­чаются от транзисторов с индуцированным каналом тем, что могут работать как при положительном, так и при отрицательном напряже­нии на затворе. Рассмотрим включение МДП -транзистора с общим истоком (рис. 3.4).

 

 

Если электрическое поле, создаваемое затвором, удаляет дырки из канала, увеличивая его сопротивление, то такой режим называется режимом обеднения (рис. 3.4,а). Если электрически поле втягивает дырки в канал, обогащая его носителями и уменьшая сопротивление, то такой режим называется режимом обогащения (рис. 3.4,6). Под действием разности потенциалов между стоком и истоком дырки дрейфуют в канале, образуя ток стока.

 

 

На рис. 3.4,а и 3.4,6 пунктирными линиями показан запирающий слой p-n -перехода, образующийся на границе подложки с p -областями и каналом. Разность потенциалов на переходе меняется от ну­ля у истока до -U_cu у стока, и весь переход находится под обратным напряжением. Поэтому ток в цепи затвор — исток очень мал. Услов­ные обозначения МДП -транзисторов со встроенным каналом n- и p -типа приведены на рис. 3.4,в и г соответственно.