X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Идея полевого транзистора впервые была предложена Лилиенфельдом в 1926 – 1928 годах. Эти конфигурации транзисторов не были внедрены в производство по объективным причинам. Реальный работающий прибор был создан в 1960 году. Конструкция транзистора по патенту Лилиенфельда № 1900018 представлен на рис.1. [4, 5]

Рис.1. Полевой транзистор Лилиенфельда.

В 1935 году О. Хейлу в Англии был выдан патент на полевой транзистор (рис. 2)

Рис. 2 Схема из патента О. Хейла № 439457.

1- управляющий электрод (затвор); 2 – тонкий слой полупроводника (теллур, йод, окись меди, пятиокись ванадия; 3 (сток); 4 (исток) – омические контакты к полупроводнику; 5 – источник постоянного тока; 6 – источник переменного напряжения; 7 – амперметр.

В 1952 г. Шокли изобрел полевой транзистор с управляющим электродом. Эта конструкция представляла собой обратно смещенный p-n – переход (см. рис. 3). Конструкция полевого транзистора имела полупроводниковый стержень n-типа (канал n-типа) с омическими выводами на торцах. В качестве полупроводника был применен кремний (Si). p-n-переход был сформирован на поверхности канала с противоположных сторон. p-n-переход формируется таким образом, чтобы он был параллелен направлению тока в канале. Основные носители заряда для данного канала – электроны, определяющие проводимость канала текут от истока к стоку. На рис. 3 – это отрицательный электрод.

Рис. 3 Полевой транзистор Шокли.

В 1966 году Мидом была создана и реализована третья конструкция полевых транзисторов (с барьером Шоттки).

В 1963 г. Хофштейн и Хайман разработали полевой транзистора на основе МДП структур. С 1952 по 1970 г.г. эти транзисторы находились еще на лабораторной стадии разработки. В настоящее время эта технология одна из наиболее широко используемых для производства интегральных схем [7].

Полевые транзисторы условно можно разделить на 2 группы. К первой можно отнести транзисторы с управляющим р-n переходом, или переходом металл — полупроводник, ко второй — транзисторы с управляющим изолированным электродом (затвором), транзисторы МДП или МОП.

Рис.4. Классификация полевых транзисторов

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом - это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала р – n переходом, смещённым в обратном направлении. Поскольку у полевой транзистор управляется с помощью электрического поля, не с помощью протекающего тока, то он обладает крайне высоким входным сопротивлением порядка сотен ГОм и даже ТОм (биполярный транзистор имеет сотни КОм). Поскольку носителями электрического заряда в полевых транзисторах являются только электроны или только дырки их иногда называют униполярными.

Рис. 5. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом

Как видно из рисунка транзистор имеет два контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, Кроме этого, у него есть один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении (см. рис. 5). Если изменить обратное напряжение на p-n переходе, то изменится его толщина. В этом случае изменится толщина области, по которой протекает основных носителей заряда. Определения [3]:

Электрод, который инжектирует основные носители, называют истоком (Source - англ).

Электрод, на котором собираются основные носители, называется стоком ((Drain - англ.).

Вывод (эдектрод) полевого транзистора, к которому приложено управляющее напряжение называется затвором (Gate – англ.).

Область полупроводника, по которой протекают основные носители зарядов, между p-n переходом, называется каналом полевого транзистора, проводимость которого может быть как n-, так и p-типа.

Названия электродов сток и исток - условны. Для отдельного полевого транзистора, который не поставлен в электрическую схему, не имеет значения какие контакты корпуса сток и исток. Все зависит от положения транзистора в цепи. Поскольку полевые транзисторы различаются по типу проводимости с n-каналом и р-каналом, то в связи с этим полярность напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, имеют разный знак, т.е. противоположны. Условное графическое изображение (УГО) полевого транзистора с каналом n-типа и p-типа изображено на рисунке 6.

Рис. 6. Графическое обозначение полевого транзистора.

Принцип действия полевого транзистора состоит в следующем. При подаче на затвор запирающего напряжения между стоком и истоком создаётся продольное электрическое поле, которое обеспечивает движение основных носителей зарядов, создающих ток стока. Если напряжение на затворе равно нулю, p-n переходы закрыты, ширина их минимальна, а ширина канала максимальна и ток стока будет максимальным. Если приложить напряжение к затвору, ширина p-n переходов возрастает, а ширина канала и ток стока уменьшаются. При достаточно большом напряжении на затворе ток стока может упасть до нуля, из-за увеличения ширины p-n переходов до их полного слияния. Это напряжение называется напряжением отсечки. По принципу действия полевой транзистор подобен вакуумному триоду. Это управляемый полупроводниковый прибор, в котором при изменении напряжение на затворе уменьшается ток стока и поэтому полевые транзисторы с управляющими p-n переходами работают только в режиме обеднения канала.

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы) имеют затвор в виде металлической плёнки, которая изолирована от полупроводника слоем диэлектрика. В качестве диэлектрика применяется окись кремния. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором называют МДП - металл-диэлектрик-полупроводник или МОП - металл-окисел-полупроводник. МДП – транзисторы могут быть двух видов:

Транзисторы с индуцированным каналом.

Транзисторы со встроенным каналом.

В каждом из типов есть транзисторы с n –каналом и p-каналом. Схематичное обозначение:

Рис.7. Схематическое изображение транзисторов с индуцированным и встроенным каналом.

Характеристики и параметры полевых транзисторов

1. Стокозатворная характеристика – зависимость тока стока (Ic) от напряжения на затворе (Uси) для транзисторов с каналом n-типа.

Рис.8. Стокозатворная характеристика.

2. Стоковая характеристика – зависимость зависимость Ic от Uси при постоянном напряжении на затворе Ic = f (Uси) при Uзи = Const.

Рис.9. Стоковая характеристика.

Основные параметры:

1) Напряжение отсечки.

2) Крутизна стокозатворной характеристики. Она показывает, на сколько миллиампер изменится ток стока при изменении напряжения на затворе на 1В.

3) Внутреннее сопротивление (или выходное) полевого транзистора.

4) Входное сопротивление.

На затвор подаётся только запирающее напряжение, поэтому ток затвора - это обратный ток закрытого p-n перехода, его величина весьма мала. Входное сопротивление, как уже упоминалось выше, Rвх может достигать нескольких ГОм [6].

Схемы включения полевых транзисторов

Рис. 10. Схемы включения полевых транзисторов

Биполярный и полевой транзистор обычно рассматривают как четырехполюсник, у которого два из четырех контактов совпадают. Тогда можно определить три схемы включения транзисторов: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком. По характеристикам они очень похожи на схемы включения биполярных транзисторов. Наиболее часто реализуется схема с общим истоком (а), поскольку дает большее усиление по току и мощности. Схема с общим затвором (б) усиления по току почти не дает и имеет малое входное сопротивление. Поэтому такая схема на практике мало применяется. Схема с общим стоком (в) называется истоковым повторителем, ее коэффициент усилением составляет порядка единицы, такую схему используют чаще всего для развязки каскадов усиления, так как ее входное сопротивление велико, а выходное мало [2].

Полевые транзисторы нашли широкое применение в радиоэлектронике. МДП-транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление (RBX> 1014 Ом, иногда до 1017 Ом). Параметры МДП-транзисторов меньше зависят от температуры, чем биполярных. Полевые транзисторы могут работать при низких температурах. Их параметры весьма стабильны во времени даже при негативных внешних воздействиях, включая радиацию, поэтому они могут быть использованы в бортовой аппаратуре космических аппаратов.

Технология изготовления полевых транзисторов весьма проста, поэтому при их изготовлении процент брака существенно меньше, чем при изготовлении биполярных транзисторов. При изготовлении интегральных схем на основе полевых транзисторов можно добиться высокой плотности расположения элементов, значительно выше (примерно на порядок), чем для биполярных транзисторов. На основе МДП-транзисторов могут быть изготовлены резисторы для монолитных интегральных микросхем. Они также могут использоваться в логических схемах, их применяют в вычислительной технике. При всех своих достоинствах полевые транзисторы обладают такими недостатками, как малый коэффициент усиления и меньший, чем у биполярных частотный диапазон, поэтому их используют в устройствах с частотами до нескольких мегагерц. Создание гибридных микросхем с улучшенными характеристиками возможно при совместном применении полевых и биполярных транзисторов. Полевые транзисторы применяют в схемах усилителей, генераторов, переключателей [1].

Список используемой литературы

1. Горбацевич А.А. Полупроводниковые гетероструктуры и приборы на их основе/А.А. Горбацевич и др.//Нанотехнологии в электронике/под ред. Ю.А. Чаплыгина. – М. Техносфера, 2005. – С. 172 – 242.

2. Джесси Рассел Полевой транзистор, VSD, 2012. - 80 стр.

3. Москатов Е. А. Электронная техника. Специальная редакция для журнала “Радио”. – Таганрог, 2004. – 121 стр.

4. Р. Куэй Электроника на основе нитрида галлия/Пер.с англ./ под ред. д.ф.−м.н. А.Г. Васильева, М.: Техносфера, 2011. – 592с.

5. Старосельский В.И. Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники: учебн. пособие, М.: Высшее образование, Юрайт- Издат. 2009.- 463 стр.

6. B. Van Zeghbroeck Principles of Semiconductor Devices, 2011.- 715 pp.

7. Simon M. Sze, Kwok K. Ng Physics of Semiconductor Devices, John Wiley&Sons Inc., Hoboken, New Jersey, 2007. – 793 pp.

Код для цитирования: Скопировать