Введение в электронику

Глава 22. САМОПРОВЕРКА

Глава 23. Полевые транзисторы

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

История полевых транзисторов начинается с 1925 года, когда Юлиус Лилленфелд изобрел полевой транзистор (р-n-переходом и полевой транзистор с изолированным затвором. Оба этих устройства доминируют в настоящее время в электронной технологии. Эта глава является введением в теорию полевых транзисторов с р-n-переходом и полевых транзисторов с изолированным затвором.

Полевой транзистор с р-n-переходом — это униполярный транзистор, в котором работают только основные носители.

Полевой транзистор с р-n-переходом — это устройство, управляемое напряжением. Полевые транзисторы с р-n-переходом состоят из полупроводниковых материалов n- и p-типа и способны усиливать электронные сигналы, а конструкция отличается от конструкции биполярных транзисторов, и их работа основана на других принципах. Знание конструкции полевых транзисторов с р-n-переходом помогает понять, как они работают.

Конструкция полевых транзисторов с р-n-переходом начинается с подложки, или базы, слабо легированного полупроводникового материала. Подложка может быть из материала n- или p-типа. р-n-переход в подложке изготовляется как методом диффузии, так и методом выращивания (см. главу 20). Форма р-n-перехода играет важную роль. На рис. 23-1 показано сечение встроенной области в подложке. U-образная область называется каналом, она утоплена по отношению к верхней поверхности подложки.

Рис. 23-1. Сечение полевого транзистора с р-n-переходом и каналом n-типа.

Когда канал сделан из материала n-типа в подложке из материала p-типа образуется полевой транзистор с каналом n-типа. Когда канал сделан из материала p-типа в подложке из материала n-типа образуется полевой транзистор с каналом р-типа.

Полевой транзистор с р-n-переходом имеет три вывода (рис. 23-2). Один вывод соединен с подложкой и образует затвор (3). Выводы, соединенные с концами канала образуют исток (И) и сток (С). Неважно какой из выводов соединен со стоком, а какой с истоком, так как канал симметричен.

Рис. 23-2. Подсоединение выводов полевого транзистора с р-n-переходом и каналом n-типа.

Работа полевых транзисторов с р-n-переходом требует двух внешних источников смещения. Один из источников (Е_СИ) подсоединяется между стоком и истоком, заставляя ток течь через канал. Другой источник (Е_ЗИ) подсоединяется между затвором и истоком. Он управляет величиной тока, протекающего через канал. На рис. 23-3 показан правильно смещенный полевой транзистор с каналом n-типа.

Источник тока Е_СИ подсоединяется таким образом, чтобы на истоке был отрицательный потенциал по отношению к стоку. Это обусловливает ток через канал, так как основными носителями в материале n-типа являются электроны. Ток, текущий от истока к стоку, называется током стока полевого транзистора (I_C). Канал служит сопротивлением для приложенного напряжения (Е_СИ).

Напряжение затвор-исток (Е_ЗИ) подается таким образом, чтобы затвор имел отрицательный потенциал по отношению к истоку. Это обусловливает формирование обратно смещенного р-n-перехода между затвором и каналом и создает обедненный слой в окрестности р-n-перехода, который распространяется вдоль всей длины канала. Обедненный слой шире у стока, так как напряжение Е_СИ складывается с напряжением Е_ЗИ, создавая более высокое напряжение обратного смещения, чем у истока.

Рис. 23-3. Правильно смещенный полевой транзистор с р-n-переходом и каналом n-типа.

Размером обедненного слоя управляет напряжение Е_ЗИ. При увеличении Е_ЗИ толщина обедненного слоя увеличивается. При уменьшении толщина обедненного слоя уменьшается. При увеличении толщины обедненного слоя резко уменьшается толщина канала, и, следовательно, уменьшается величина тока, проходящего через него. Таким образом, Е_ЗИ можно использовать для управления током стока (I_C), который протекает через канал. Увеличение Е_ЗИ уменьшает I_C.

При обычной работе входное напряжение прикладывается между затвором и истоком. Результирующим выходным током является ток стока (I_C). В полевом транзисторе с р-n-переходом входное напряжение используется для управления выходным током. В обычном транзисторе входной ток, а не напряжение используется для управления выходным током.

Поскольку переход затвор-исток смещен в обратном направлении, полевой транзистор с р-n-переходом имеет очень высокое входное сопротивление. Если переход затвор-исток сместить в прямом направлении, через канал потечет большой ток, что послужит причиной падения входного сопротивления и уменьшения усиления транзистора. Величина напряжения, требуемого для уменьшения I_С до нуля, называется напряжением отсечки затвор-исток (Е_ЗИотс). Это значение указывается производителем транзистора.

Напряжение сток-исток (Е_СИ) управляет размером обедненного слоя в полевых транзисторах с р-n-переходом. При увеличении Е_СИ, увеличивается также I_С. При некотором значении Е_СИ величина I_С перестает расти, достигая насыщения при дальнейшем увеличении Е_СИ. Причиной этого является увеличившийся размер обедненного слоя, и значительное уменьшение в канале неосновных носителей. С увеличением Е_СИ увеличивается, с другой стороны, сопротивление канала, что также приводит к меньшей скорости увеличения I_С. Однако рост тока I_С ограничивается вследствие расширения обедненного слоя и уменьшения ширины канала. Когда это имеет место, говорят, что I_С достиг насыщения. Значение Е_СИ, при котором I_С достигает насыщения, называется напряжением насыщения (Е_Н). Величина Е_Н обычно указывается производителем при значении Е_ЗИ, равном нулю. При Е_ЗИ, равном нулю, величина Е_Н близка к Е_ЗИотс. Когда Е_Н равно Е_ЗИ, ток стока является насыщенным.