Польовий транзистор з керованим переходом

Область каналу, від якої починається рух носіїв, називається витоком (В), а область до якої рухаються основні носії називається, називається стоком (С). Керована область в приладі (вона охоплює канал) називається затвором (З). Електричне поле, яке виникає за наявності напруги між затвором і стоком, змінює електропровідність каналу, а отже і струм через канал. Це кероване електричне поле направлене перпендикулярно до руху носії у каналі, тобто є поперечним. Отже в робочому режимі n-p- перехід зміщений в зворотньому напрямку. Це зміщення забезпечується напругою

. Носії в каналі рухаються від витоку до стоку під дією повздовжнього електричного поля, створеного між стоком і витоком при підключенні напруги

Принцип керування струмом полягає в тому, що змінюючи зворотню напругу на n-p- переході

, можна регулювати поперечний переріз провідного каналу та його провідність. У більшості структур канал є слабо легованим тонким шаром, розташованим безпосередньо біля поверхні напівпровідникового кристалу, або ж на деякій відстані від нього паралельно їй. Отже, носії рухаються уздовж поверхні. Витік і стік зазвичай сильно леговані ділянки.

При збільшенні напруги

поперечний переріз каналу зменшується, що призводить до зменшення струму стоку

. За деякого значення напруги відбувається повне перекриття каналу і струм стоку стає рівним нулю. Напругу, при якій канал перекривається називають напругою відсічки

5.2.2.2 Польовий транзистор з ізольованим затвором

Польові транзистори з ізольованим затвором мають структуру метал (М) – діелектрик (Д) – напівпровідник (Н) (скорочено МДН-транзистор) або МОН-транзистор (О – оксид кремнію).

Рис. 5.17 Будова польового транзистора з ізольованим затвором

На підкладці р -типу створюють області n- типу, до яких підводять зовнішні електроди витоку та стоку. Провідний шар каналу n- типу утворюєься в поверневому шарі підкладки під діелектриком. Цей канал може бут вбудованим (результат технологічного процесу) та індукованим, що виникає під дією електричного поля, створеного напругою між затвором та витоком. Відповідно транзистори називаються транзисторами з індукованим каналом та транзисторами з вбудованим каналом.

Провідний канал створюється тільки за деякої напруги, яку називають пороговою

. Її значення може бути як позитивним (для транзистора з індукованим каналом n- типу) так і негативною (для транзистора з індукованим каналом р- типу). Умовні позначення транзисторів зображено на рис. 5.18 – 5.21.

Рис. 5.18 Умовне позначення МОН-транзистора з вбудованим каналом n- типу

Рис. 5.19 Умовне позначення МОН-транзистора з індукованим каналом n- типу

Рис. 5.20 Умовне позначення МОН-транзистора з вбудованим каналом р- типу

Рис. 5.21 Умовне позначення МОН-транзистора з індукованим каналом р- типу

Керована напруга транзисторів з вбудованим каналом може бути як позитивна, так і негативна. Це зумовлено тим, що в цих транзисторах провідний канал існує вже при

Особливістю МДН-транзисторів є великий вхідний опір.

5.2.3 ПОРІВНЯННЯ ПОЛЬОВИХ ТА БІПОЛЯРНИХ ТРАНЗИСТОРІВ

Біполярні та польові транзистори виконують однакові функції: підсилюють потужність (реалізують принцип реле). Це відбувається за рахунок майже безінерційного керування опором транзисторів в електричному колі, що вмикається у зовнішнє джерело живлення. Водночас слід виділити ряд важливих властивостей біполярних та польових транзисторів, які ґрунтуються на різних фізичних процесах, що використовуються для побудови приладів, на різних принципах керування приладами а особливостях експлуатації. Узагальнююче порівняння цих двох типів транзисторів подано у табл. 5.1

Порівняння біполярних та польових транзисторів Таблиця 5.1

Біполярний транзистор	Половий транзистор
Керуються струмом. Керування опором транзистора, тобто вихідним струмом, відбувається змінюванням вхідного струму	Керуються напругою. Керування вихідним струмом відбувається за допомогою зміни вхідної напруги або електричного поля
Вхідний опір малий, оскільки вхідним колом є n-p- перехід, зміщений в прямому напрямку	Вхідний опір дуже великий, оскільки вхідне коло ізольоване діелектриком або зворотно зміщеним n-p- переходом
Вихідний струм формується основними та неосновними носіями заряду (зарядами двох знаків), звідки й назва “біполярний транзистор”	Вхідний стум формується носіями одного знаку (або електронами, або дірками), звідки й назва “уніполярний транзистор”
Відносно невеликий коефіцієнт підсилення за струмом	Дуже великий коефіцієнт підсилення за струмом
Потребують спеціальних заходів щодо підвищення завадостійкості	Висока завадостійкість пристроїв з такими приладами
Низька теплостійкість: зі збільшенням струму підвищується температура структури, що викликає подальше збільшення струму	Висока теплостійкість: зростання температури призводить до збільшення опору, струм зменшується
Висока ймовірність саморозігрівання, що звужує область безпечної роботи	Мала ймовірність саморозігрівання, що розширює область безпечної роботи
Висока чутливість до перенавантажень струму	Низька чутливість до перенавантажень струму
Для паралельного вмикання потрібні додаткові заходи щодо вирівнювання струмів	У разі паралельного вмикання струми розподіляються рівномірно без додаткових заходів
Процеси рекомбінації носіїв у n-p- переході та базі і регенераційно-комбінаційні процеси зумовлюють низькочастотні шуми	Малий рівень шумів, особливо на низьких частотах
Виготовлення ІМС потребують спеціальних методів і технологічних процесів для ізоляції біполярних структур	Під час виготовлення ІМС на базі МДН-структур ізоляція елементів створюється без додаткових технологічних процесів

Наведені порівняння показують, що в дискректних електронних пристроях МДН-транзистори мають перевагу перед біполярними, а саме:

– вхідне (клерувальне) коло польового транзистора споживає дуже мало енергії, оскільки вхідний опір цих приладів дуже великий; підсилення потужності та струму МДН-транзисторами набагато більше, ніж біполярними;

– завдяки тому, що клерувальне коло ізольоване від вихідного, значно підвищується надійність роботи і завадостійкість схем на МДН-транзисторах;

– МДН-транзистори мають низький рівень власних шумів, оскільки немає інжекції та властивих їй флуктуацій;

– польові транзистори мають більш високу швидкодію, оскільки в них немає інерційних процесів накопичування і зосередження носіїв зарядів.

Потужні МНД-транзистори все більше витісняють біполярні транзистори у пристроях з високою швидкодією та підвищеною надійністю роботи.

Слід також виділити ряд недоліків, властивих МДН-транзисторам. Через відносно великий опір каналу у відкритому стані спад напруги на відкритому МДН-транзисторі помітно більший, ніж спад напуги на біполярному транзисторі у режимі насичення. Крім того, польові транзистори мають істотно менше значення межової температури структури, яка дорівнює 150 ⁰С (для кремнієвих біполярних транзисторів – 200 ⁰С. Це обмежує використання польових транзисторів з температурою понад 100 ⁰С.

8. Польовий транзистор з керувальним переходом

9. Польовий транзистор з ізольованим затвором

10. Порівняння польових та біполярних транзисторів

1. Вхідні та вихідні характеристики біполярного транзистора, ввімкненого за схемою зі спільною базою

2. Вхідні та вихідні характеристики біполярного транзистора, ввімкненого за схемою зі спільним емітером

3. Підсилення за допомогою біполярного транзистора

4. Фізичні процеси в біполярному транзисторі

5. Характеристики польового транзистора з керувальним n-p- переходом

6. Характеристики МДН-транзистора з вбудованим каналом

7. Характеристики МДН-транзистора з індукованим каналом

ТЕМА 5.3 РІЗНОВИДИ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПРИЛАДІВ