Общая характеристика полевых транзисторов

Теоретические замечания

Полевой транзистор (ПТ) – полупроводниковый прибор, обладающий усилительными свойствами. ПТ содержит входную и выходную цепи, которые существенно отличаются от соответствующих цепей биполярного транзистора (БТ). Выходная цепь представляет собой проводящий канал, по которому движутся носители заряда только одного знака – основные носители. Управляющая цепь изолирована от канала диэлектриком или обратно смещенным p–n переходом. Напряжение, прикладываемое к управляющей цепи, позволяет создавать в канале поперечное электрическое поле, которое изменяет проводимость канала и тем самым обеспечивает возможность усиления сигналов. То есть управление выходным сигналом в приборах данного типа производится посредством электрического поля, вследствие чего они и называются полевыми. У ПТ есть еще два равноценных названия – канальный транзистор и униполярный транзистор, которые отражают указанные выше особенности рассматриваемых приборов [1-3].

ПТ, как и биполярный, имеет три электрода. Два из них расположены на концах проводящего канала и называются «сток» и «исток». Исток – электрод, через который в проводящий канал входят носители заряда, сток – электрод, через который из канала выходят носители заряда. Третий электрод, называемый «затвором», является управляющим электродом. Напряжение, прикладываемое между затвором и истоком, управляет проводимостью канала и, следовательно, выходным сигналом.

По принципу действия ПТ во многом аналогичен вакуумному триоду. Исток в ПТ подобен катоду вакуумного триода, затвор – сетке, сток – аноду [1].

ПТ имеет ряд существенных отличий от биполярного. Во-первых, в канале ПТ происходит дрейфовое движение неосновных носителей. Во-вторых, в БТ управление выходным сигналом производится входным током, а в ПТ – входным напряжением или электрическим полем. В-третьих, ПТ имеет гораздо более высокое входное сопротивление, так как в его входной цепи находится обратно смещенный p – n переход или диэлектрик, а во входной цепи БТ – прямо смещенный p – n переход.

Указанные отличия обуславливают ряд преимуществ ПТ перед биполярными, главными из которых являются высокое быстродействие, экономичность, высокое входное сопротивление, низкий уровень шумов. К этому следует добавить сравнительно простую технологию изготовления и малые габариты, что позволяет получить высокую степень интеграции ПТ на одном кристалле.

В настоящее время ПТиграют важную роль в микроэлектронике как элементы интегральных схем (ИС). Один кристалл ИС может содержать тысячи, и даже сотни тысяч полупроводниковых приборов. На базе таких ИС создают компьютеры, микропроцессорные системы, устройства обработки сигналов и т.п. ПТ широко применяются также в устройствах промышленной электроники: в источниках питания и стабилизаторах, в преобразователях постоянного и переменного тока, в мощных усилителях и других устройствах [2,3].

Существует два основных типа ПТ: с управляющим p – n переходом (ПТУП) и с изолированным затвором. В транзисторах первого типа поверхность канала граничит со слоем полупроводника противоположного типа проводимости, на который нанесен металлический электрод (затвор). Разновидностью ПТУП можно считать ПТ с управляющим переходом Шотки(ПТШ). В ПТШ металлический слой затвора наносится непосредственно на поверхность канала. Металл выбирается таким, чтобы образовался выпрямляющий переход Шотки.

В полевых транзисторах с изолированным затвором между металлическим затвором и полупроводниковым каналом находится тонкий (~ 0,1мкм) слой диэлектрика, то есть транзистор представляет собой структуру металл – диэлектрик – полупроводник. Поэтому ПТ с изолированным затвором называют также МДП – транзистором. В качестве диэлектрика часто используется оксидный слой полупроводника. В этом случае транзистор имеет структуру металл – оксид – полупроводник и называется МОП – транзистором. Хотя и для этого транзистора может использоваться общий термин – МДП–транзистор.

ПТ с изолированным затвором (МДП – транзисторы), в свою очередь бывают двух разновидностей: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

Важнейшими характеристиками ПТ являются семейства выходных статических характеристик:

и семейство статических характеристик передачи (проходных характеристик):

В формулах (1) и (2) I_с – ток стока (выходной ток), U_си – напряжение между стоком и истоком (выходное напряжение), U_зи – напряжение между затвором и истоком (входное напряжение).

По вольт – амперным характеристикам (ВАХ) определяются следующие основные параметры ПТ,  характеризующие его усилительные свойства:

- крутизна характеристики

(3)

- внутреннее (выходное) сопротивление

(4)

- коэффициент усиления по напряжению

(5)

Перечисленные параметры называются малосигнальными. Между ними существует очевидная связь:

Поэтому для характеристики ПТ достаточно двух параметров. Обычно используют крутизну и внутреннее сопротивление.