Полевым транзистором называют полупроводниковый прибор, электрический ток в котором обусловлен потоком основных носителей заряда, протекающим через проводящий канал, управляемый электрическим полем.
В отличие от биполярного транзистора действие полевого транзистора обусловлено носителями заряда одной полярности - либо только электронами в канале п-типа, либо только дырками в канале р-типа. Поэтому их иногда называют униполярными.
Различают два основных вида полевых транзисторов: с управляющим р-п переходом и с изолированным затвором.

Полевой транзистор с управляющим р – п – переходом

Устройство и принцип действия полевого транзистора с р-п переходом

Рассмотрим устройство и принцип действия полевого транзистора с р-п переходом (рис. 2.23). Он представляет собой полупроводниковую пластину п-типа, от торцов которой с помощью невыпрямляющих металлических контактов сделаны выводы электродов. Слой полупроводника между этими контактами, в котором регулируется поток носителей заряда, называют проводящим каналом (в данном случае п-типа). Электрод полевого транзистора, через который в проводящий канал втекают носители заряда, называют истоком (И), а электрод, через который из канала вытекают носители заряда, - стоком (С).

На грань пластины в ее центральной части наплавляют акцепторное вещество, создающее область р-типа; в результате образуется р-п переход. От р - области сделан вывод третьего электрода для подачи на р-п переход обратного напряжения. В таком режиме слой, обедненный носителями заряда имеет проводимость, близкую к нулю. Электрод, на который подается напряжение, создающее электрическое поле для управления протекающим через канал током, называют затвором (3).
При создании р-п перехода только с одной стороны пластины (рис.2.23, а) канал п-типа образуется между областью р-п перехода и непроводящей подложкой, на которой укреплена пластина. Чаще всего создают р-п переходы с двух сторон пластины - на противоположных гранях - и электрически соединяют обе р - области в один вывод затвора (рис.2.23, 6). В этом случае проводящий канал образуется в пластине между областями двух р-п переходов.
На рис.2.23, в, г показаны условные графические обозначения полевых транзисторов с каналами п-типа и р-типа.
В схеме включения полевого транзистора (рис.2.23, д) между истоком и стоком подается напряжение Ucи такой полярности, чтобы основные носители заряда (электроны в канале п-типа) двигались по каналу в направлении от истока к стоку. При этом через канал и по внешней цепи протекает ток стока Iс. На затвор относительно истока подается напряжение Uзи обратное для р-п перехода. Оно создает поперечное по отношению к каналу электрическое поле, напряженность которого зависит от величины приложенного напряжения. Чем больше это напряжение, а следовательно, сильнее электрическое поле, тем шире запирающий слой и уже канал (пунктир на рис.2.23, д). С уменьшением поперечного сечения канала уменьшается его проводимость, что приводит к уменьшению тока Iс в цепи.
Цепь между затвором и истоком является управляющей. Таким образом, принцип действия полевого транзистора с р-п переходом основан на изменении проводимости канала за счет изменения ширины области р-п перехода под действием поперечного электрического поля, которое создается напряжением затвор – исток.
Если в цепь затвор - исток последовательно с источником постоянного напряжения Ез включить источник усиливаемого сигнала, а в главную цепь между стоком и истоком последовательно с источником питания Uc - нагрузку Rн (рис.2.24), то будет происходить процесс усиления сигнала. Слабый сигнал вызывает изменения поперечного электрического поля, оно пульсирует с частотой сигнала, что в свою очередь приводит к периодическим расширениям и сужениям канала. Это вызывает пульсации тока Iс и напряжения на нагрузке Rн. Переменная составляющая этого напряжения представляет собой усиленный сигнал на выходе, значительно больший по мощности, чем сигнал в цепи управления на входе.

Из принципа действия полевого транзистора следует, что, в отличие от биполярного транзистора, он управляется не током, а напряжением Uзи.
Поскольку это напряжение обратное, то в цепи затвора протекает очень малый ток, т.к. входное сопротивление очень большое. В этом преимущество полевого транзистора по сравнению с биполярным. Такое же устройство и принцип действия имеют полевые транзисторы с р-п переходом и каналом р-типа; по сравнению с транзисторами с каналом п-типа они требуют противоположной полярности источников питания. Основные носители заряда в них - дырки.
Следует отметить, что при подаче на канал напряжения Uси потенциалы точек канала относительно истока неодинаковы по его длине: они возрастают по мере приближения к стоку от нуля до полного напряжения Ucи. В связи с этим увеличивается и обратное напряжение на р-п переходе в направлении от истока к стоку от значения, равного Uзи около истока, до суммы Uзи + Uси у стока. Это вызывает постепенное расширение области р-п -перехода по мере приближения к стоку и соответствующее сужение канала: его сечение уменьшается в направлении от истока к стоку. С увеличением Ucи возрастает влияние этого напряжения на сужение канала у стока

Статические вольтамперные характеристики полевых транзисторов с р-п переходом

Основные характеристики полевых транзисторов - выходные (стоковые) и передаточные (стоко-затворные). Стоковая характеристика отражает зависимость тока стока от напряжения сток - исток при постоянном напряжении затвор - исток:

Iс = f(Uси), при Uзи = const.

Характеристики, снятые при разных значениях постоянной величины Uзи, составляют семейство статических стоковых характеристик. На рис.2.25,а, приведено семейство характеристик для полевого транзистора с р-п переходом и каналом п - типа.
Рассмотрим стоковую характеристику, снятую при Uзи = 0, когда канал имеет максимальное исходное рабочее сечение. На ней можно выделить три участка.

Начальный участок выходит из начала координат (при Uси = 0 ток Iс тоже равен нулю) и соответствует малым значениям напряжения Uси, изменение которого почти не влияет на проводимость канала; канал полностью открыт. Поэтому ток Iс на этом участке растет прямо пропорционально напряжению Uси, характеристика идет круто вверх.
По мере дальнейшего увеличения Uси начинает сказываться его влияние на проводимость канала. Причиной этого служит возрастание потенциала точек канала в направлении к стоку и, соответственно, рост обратного напряжения на р-п переходе, которое при UЗИ = 0, у стока равно Uси. По мере увеличения Uси происходит сужение канала, уменьшается его проводимость и замедляется рост тока Iс. Это соответствует криволинейной переходной области характеристики.
Дальнейшее увеличение Uси практически не вызывает роста тока, так как непосредственное влияние Uси на ток компенсируется одновременным повышением сопротивления канала из-за его сужения. Максимальное сужение канала называют перекрытием канала. Этот режим называют режимом насыщения. Ему соответствует пологий, почти горизонтальный, участок характеристики. Напряжение, при котором начинается режим насыщения, называют напряжением насыщения (Uси нас), а ток при этом - током насыщения (Iс нас). Участок характеристики, соответствующий режиму насыщения, используется в усилителях как рабочий.
При дальнейшем увеличении Uси, когда оно достигает определенного значения, ток резко возрастает; это соответствует лавинному пробою р-п перехода вблизи стока, где канал имеет наименьшее сечение, а обратное напряжение на р-п переходе – наибольшее значение. Пробой транзистора недопустим, поэтому в рабочем режиме повышение Uси ограничивается максимально допустимым значением, указываемым в справочниках.
Характеристики, снимаемые при значениях Uзи ≠ 0, располагаются ниже рассмотренной характеристики при Uзи = 0, причем тем ниже, чем больше по абсолютной величине напряжение затвор - исток. С увеличением напряжения Uзи, при котором снимается стоковая характеристика, исходное сечение канала становится меньше, его сопротивление - больше, менее круто идет начальный участок характеристики, а также при меньшем напряжении Uси и токе Iс наступает режим насыщения. Пробой транзистора в этом случае наступает при меньшем напряжении Uси.
Полевой транзистор может быть использован не только в схемах усиления, но и в качестве управляемого омического сопротивления, если он работает в режиме, соответствующем начальному линейному участку стоковой характеристики.
Стоко-затворная характеристика - это зависимость тока стока от напряжения затвор - исток при неизменной величине напряжения сток - исток (рис.2.25,б):

Iс = f(Uзи) при Uси = const .

Эта зависимость характеризует управляющее действие входного напряжения на величину выходного тока.
При данном постоянном значении Uси, взятом в рабочем режиме, т. е. на участке насыщения, и при Uзи = 0 точка характеристики лежит на оси тока и соответствует величине, равной току насыщения Iс нас. С увеличением напряжения Uзи по абсолютной величине проводимость канала уменьшается, что приводит к уменьшению тока. Увеличение напряжения Uзи вызывает уменьшение сечения проводящего канала до тех пор, пока он не оказывается перекрытым; ток через канал прекращается, транзистор закрывается, так как сток и исток изолированы друг от друга. Напряжение затвор - исток, при котором ток через канал прекращается, называют напряжением отсечки Uзиотс.
На рис.2.25, 6 приведена одна стоко-затворная характеристика, поскольку изменение Uси в режиме насыщения очень мало влияет на ток Iс и характеристики, снятые при разных значениях Uси, располагаются очень близко друг к другу. Изменение температуры мало сказывается на работе полевого транзистора, что является еще одним его преимуществом перед биполярным. Это объясняется противоположным влиянием на сопротивление канала и величину выходного тока Iс двух факторов. С одной стороны, повышение температуры снижает потенциальный барьер р-п перехода, что ведет к уменьшению его ширины и расширению канала, сопротивление канала уменьшается, ток Iс возрастает. С другой стороны, при повышении температуры уменьшается подвижность основных носителей заряда, что вызывает рост сопротивления канала и уменьшает ток Iс. В результате ток Iс изменяется мало. Причем в области больших токов преобладает влияние второго фактора, и Iс с ростом температуры уменьшается, что очень благоприятно, а в области малых токов преобладает первый фактор, и ток немного возрастает (пунктирная кривая на рис.2.25, 6).

Параметры полевых транзисторов с р-п переходом

Основные статические параметры полевого транзистора:

- крутизна стоко-затворной характеристики;
- внутреннее сопротивление;
- коэффициент усиления;

Статическая крутизна характеристики S показывает влияние напряжения затвора на выходной ток транзистора и определяется как отношение приращения тока стока к вызвавшему его малому приращению напряжения затвор - исток при постоянном напряжении сток - исток:

S = ΔIc/Δuзи при Uси = const.

Крутизна определяет наклон стоко-затворной характеристики; по величине крутизны оценивают управляющее действие затвора. Численное значение крутизны можно найти по стоко-затворной характеристике, взяв для данной точки малое приращение напряжения ΔUзи и соответствующее ему приращение тока ΔIс (см. рис.2.22, 6). Наибольшее значение имеет крутизна характеристики в точке на оси тока при Uзи = 0. С увеличением Uзи крутизна уменьшается. Примерная величина этого параметра S= 0,1 …8 мА/В.
Внутреннее (дифференциальное) сопротивление Ri показывает влияние напряжения сток - исток на выходной ток транзистора. Оно определяется по наклону стоковой характеристики на участке насыщения как отношение приращения напряжения сток - исток к вызываемому им малому приращению тока стока при постоянном напряжении затвор - исток (см.рис.2.25, а):

Ri = ΔUси/ΔIс при Uзи = const.

Чем больше Ri, тем более полого идет характеристика в области насыщения. Внутреннее сопротивление полевых транзисторов составляет десятки и сотни килоом и более. Оно определяет выходное сопротивление Rвых.
Входное сопротивление Rвх полевого транзистора очень велико; оно определяется обратным сопротивлением р-п перехода и составляет 108 …109 Ом. Большое входное сопротивление является преимуществом полевых транзисторов перед биполярными.
Преимуществом является также малый собственный шум.
Усилительные свойства полевых транзисторов характеризуются статическим коэффициентом усиления напряжения μ, который может быть найден как произведение крутизны на внутреннее сопротивление:

μ = SRi.

Коэффициент усиления показывает, во сколько раз изменение напряжения затвор - исток сильнее влияет на ток стока, чем такое же изменение напряжения сток - исток. Его можно определить как отношение приращения напряжения сток - исток к приращению напряжения затвор - исток при неизменном токе:

μ = ΔUси /Δuзи при Iс -const.

Кроме этих параметров на свойства высокочастотных транзисторов влияют междуэлектродные емкости.
Важными также являются параметры предельных режимов: максимально допустимый ток стока Iс макс при Uзи = 0, максимально допустимое напряжение сток - исток Uси макс, максимально допустимое напряжение затвор - исток Uзи макс, максимально допустимая рассеиваемая мощность Рмакс, диапазон рабочей температуры.
Полевые транзисторы с управляющим р-п переходом могут быть созданы и на основе перехода Шоттки (металл - полупроводник) на базе арсенида галлия.

МДП-транзисторы

МДП-транзисторами называют полевые транзисторы с изолированным затвором. В транзисторах этого вида затвор представляет собой металлический слой, электрически изолированный от полупроводниковой области проводящего канала тонким слоем диэлектрика. Структура такого полевого транзистора металл - диэлектрик - полупроводник обусловила его название - МДП-транзистор. МДП-транзисторы изготовляют на основе кремния. Чаще всего в качестве диэлектрика используется тонкая пленка окисла кремния SiО2. Получается структура металл - окисел - полупроводник, называемая МОП-транзистором.
В зависимости от технологии изготовления различают две разновидности МДП-транзисторов: со встроенным каналом, созданным в процессе изготовления, и с индуцированным каналом, который наводится электрическим полем под действием напряжения на затворе. Канал может быть р-типа и п-типа.
Типовые структуры полевых транзисторов и схема включения представлены на рис.2.26. Для сравнения на рис.2.26, а, а дана структура с управляющим р-п переходом.

МДП-транзистор со встроенным каналом

В транзисторе со встроенным каналом п-типа (рис.2,26, 6) исходным материалом служит кремниевая пластина р-типа, называемая подложкой. В ней создаются области п -типа с большой концентрацией донорной примеси, образующие исток и сток, а между ними тонкий приповерхностный слой п-типа с малой концентрацией примеси, являющийся токопроводящим каналом. На поверхности кристалла создается тонкая пленка окисла кремния Si02, которая изолирует затвор от канала, а также защищает кристалл от внешних воздействий. Металлические контакты с внешними выводами осуществляются от областей стока и истока, от металлического затвора, а также в некоторых случаях от подложки. Чаще всего вывод от подложки электрически соединяют с истоком.
Принцип действия МДП-транзистора со встроенным каналом основан на изменении проводимости канала под действием поперечного электрического поля, создаваемого напряжением на затворе.
При Uзи = 0 через транзистор протекает ток Iс под действием напряжения сток - исток Uси, приложенного плюсом к стоку при канале п-типа. Значение этого тока определяется исходной проводимостью канала. Вид стоковой характеристики при Uзи = О (рис.2.27, а) аналогичен соответствующей характеристике транзистора с р-п переходом: ее начальный участок - почти линейный, круто восходящий. По мере увеличения Ucи канал к стоку сужается, проводимость его уменьшается, происходит плавный переход к режиму насыщения - к пологому рабочему участку.

При подаче на затвор отрицательного напряжения относительно истока (Uзи < 0) электрическое поле затвора отталкивает электроны, вытесняя их из канала в область подложки. Канал обедняется основными носителями заряда, проводимость его уменьшается, а значит, уменьшается и ток стока. Стоковая характеристика располагается ниже. Чем больше отрицательное напряжение затвора по абсолютной величине, тем меньше проводимость канала и ток через транзистор, тем ниже идет стоковая характеристика.
При подаче на затвор положительного напряжения (Uзи > О) в транзисторе с каналом п -типа электрическое поле затвора притягивает электроны, втягивая их в канал из р-слоя и п-слоев истока и стока; канал обогащается основными носителями заряда, и проводимость его увеличивается. С повышением положительного напряжения на затворе возрастает ток стока Iс. Чем больше положительное значение Uзи, при котором снимается стоковая характеристика, тем выше она располагается. При увеличении Uси до некоторого значения происходит лавинный пробой транзистора (Iс резко возрастает) вследствие пробоя участка сток - затвор вблизи стока. При отрицательном Uзи напряжение сток - затвор у стока возрастает, поэтому пробой наступает при меньших значениях напряжения сток - исток Uси. Из рассмотрения принципа действия МДП-транзисторов со встроенным каналом следует, что управляющее действие затвора осуществляется как в режиме обеднения канала основными носителями заряда, так и в режиме обогащения.
Стоко-затворная характеристика МДП-транзистора со встроенным каналом (рис.2.27, б) отражает зависимость Iс от напряжения затвор - исток. Она характеризует управляющее действие затвора и снимается при постоянном напряжений сток - исток. Для транзисторов с каналом п - типа в соответствии с рассмотренными процессами при Uзu = 0 ток имеет определенное значение; с увеличением положительных напряжений Uзи ток растет (режим обогащения), а с увеличением отрицательных значений ток уменьшается (режим обеднения).
При некотором значении отрицательного напряжения затвор - исток, равном напряжению отсечки Uзи = Uзиотс, электроны будут полностью вытеснены из канала, т. е. канал исчезнет, а ток через транзистор упадет до нуля - транзистор закроется.

МДП-транзистор с индуцированным каналом.

Структура такого транзистора показана на рис.2.26, в. В отличие от транзистора со встроенным каналом здесь первоначально на подложке р-типа создаются только области п -типа (истока и стока), а канал не создается. Поэтому при отсутствии управляющего напряжения на затворе (Uзи = 0) транзистор остается закрытым независимо от величины и полярности напряжения сток - исток. Это объясняется тем, что при любой полярности Uси оба р-п перехода (исток - подложка и сток - подложка) находятся под обратным напряжением, и канал отсутствует.
При подаче на затвор положительного напряжения относительно истока Uзи > 0 электрическое поле затвора отталкивает дырки подложки от приповерхностного слоя под затвором в глубину полупроводника, а электроны притягивает в этот слой к границе с диэлектриком. Это приводит к изменению типа электропроводности тонкого слоя у границы на противоположный (инверсия), т.е. образуется – индуцируется проводящий канал п-типа. С повышением положительного напряжения на затворе концентрация электронов в индуцированном канале возрастает, растет проводимость канала, а следовательно, и ток стока через него. При снижении положительного напряжения Uзи происходят обратные процессы: концентрация электронов в канале падает и ток уменьшается. Напряжение на затворе, при котором ток становится равным нулю при данном значении Ucи, называется пороговым напряжением Uзипор. При отрицательном напряжении на затворе канал п-типа не индуцируется; транзистор данного типа остается закрытым. Таким образом, МДП-транзисторы с индуцированным каналом работают только в режиме обогащения. Семейство стоковых (выходных) характеристик МДП-транзистора с индуцированным каналом п-типа приведено на рис.2.28, а.

По виду характеристики такие же, как для полевых транзисторов с р-п переходом и МДП-транзисторов со встроенным каналом, но их расположение с изменением постоянного значения Uзи иное: при Uзи = 0 ток Iс = 0, поэтому характеристика сливается с осью абсцисс, как и при увеличении постоянного положительного значения Uзи от 0 до Uзи = Uзипор. С увеличением значения Uзи, при котором снимается характеристика, начиная с Uзи > Uзипор, стоковые характеристики идут выше. Стоко - затворная характеристика (рис.2.28, 6) выходит из точки на оси напряжений, соответствующей пороговому значению напряжения затвор - исток Uзипор, идет сначала полого, а затем практически линейно круто вверх.
Преимуществом МДП-транзисторов перед полевыми транзисторами с управляющим р-п переходом являются гораздо большее входное сопротивление, достигающее 1012 … 1014 Ом, существенно меньшие междуэлектродные емкости, а также возможность получения большей крутизны (до десятков миллиампер на вольт) за счет уменьшения толщины диэлектрического слоя и других конструктивных мер.
На рис.2.29 приведены условные графические обозначения МДП-транзисторов. Полевые транзисторы, особенно МДП-транзисторы, получили широкое применение в интегральных микросхемах благодаря более удобной технологии их изготовления, высокому входному сопротивлению, малому собственному шуму, низкой стоимости, возможности работы при более высоких напряжениях, чем биполярные транзисторы, а также большому коэффициенту усиления напряжения и мощности.

Система обозначений полевых транзисторов такая же, как биполярных, но вторым элементом является буква П. Например, КП302Б, КП350В.

Полевые транзисторы с плавающим затвором

Полевые транзисторы широко используются как элементы памяти в запоминающих устройствах ЭВМ.
Для этих целей разработаны транзисторы типов МНОП и ЛИЗМОП (добавление ЛИЗ к обозначению МОП происходит от слов Лавинная Инжекция Заряда). МНОП-транзистор отличается от обычного МОП-транзистора двухслойным подзатворным диэлектриком. На поверхности кристалла расположен тонкий слой двуокиси кремния SiO2, далее более толстый слой нитрида кремния Si3N4 и затем уже затвор (рис.2.30). На границе диэлектрических слоев возникают центры захвата заряда. Благодаря туннельному эффекту, носители заряда могут проходить через тонкую пленку окисла толщиной не более 5 нм и скапливаться на границе раздела слоев. Этот заряд и является носителем информации, хранимой МНОП-транзистором. Заряд записывают созданием под затвором напряженности электрического поля, достаточной для возникновения туннельного перехода носителей заряда через тонкий слой Si02. На границе раздела диэлектрических слоев можно создавать заряд любого знака в зависимости от направленности электрического поля в подзатворной области. Наличие заряда влияет на пороговое напряжение транзистора.

Для МНОП-транзистора с п - каналом отрицательный заряд на границе раздела слоев повышает пороговое напряжение (экранирует воздействие положительного напряжения на затворе, отпирающего транзистор). При этом пороговое напряжение возрастает настолько, что рабочие напряжения на затворе транзистора не в состоянии его открыть (создать в нем проводящий канал). Транзистор, в котором заряд отсутствует или имеет другой знак, легко открывается рабочим значением напряжения. Так осуществляется хранение бита в МНОП: одно из состояний трактуется как отображение логической единицы, другое - нуля.
При программировании ЗУ используются относительно высокие напряжения, около 20 В. После снятия высоких напряжений туннельное прохождение носителей заряда через диэлектрик прекращается и заданное транзистору пороговое напряжение остается неизменным.После 104. .106 перезаписей МНОП-транзистор перестает устойчиво хранит заряд. Элементы на МНОП-транзисторах энергонезависимы и могут хранить информацию месяцами, годами и десятками лет.
Транзисторы типа ЛИЗМОП всегда имеют так называемый плавающий затвор, который может быть единственным или вторым, дополнительным к обычному (управляющему) затвору. Транзисторы с одним плавающим затвором используются в ЗУ типа РПЗУ-УФ, а транзисторы с двойным затвором пригодны для применения как в РПЗУ-УФ, так и в РПЗУ-ЭС. Структура ЛИЗМОП-транзистора с двойным затвором представлена на рис.2.31.

Принцип работы ЛИЗМОП с двойным затвором близок к принципу работы МНОП-транзистора - здесь также между управляющим затвором и областью канала помещается область, в которую при программировании можно вводить заряд, влияющий на величину порогового напряжения транзистора. Только область введения заряда представляет собою не границу раздела слоев диэлектрика, а окруженную со всех сторон диэлектриком проводящую область (обычно из поликристаллического кремния), в которую, как в ловушку, можно ввести заряд, способный сохраняться в ней в течение очень длительного времени. Эта область и называется плавающим затвором.
При подаче на управляющий затвор, исток и сток импульса положительного напряжения относительно большой амплитуды (20 ..25 В) в обратно смещенных р-п - переходах возникает лавинный пробой, область которого насыщается электронами. Часть электронов, имеющих, энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера диэлектрической области, проникает в плавающий затвор. Снятие высокого напряжения восстанавливает обычное состояние областей транзистора и запирает электроны в плавающем затворе, где они могут находиться длительное время (в высококачественных приборах многие годы)
Заряженный электронами плавающий затвор увеличивает пороговое напряжение транзистора настолько, что в диапазоне рабочих напряжений проводящий канал в транзисторе не создается. При отсутствии заряда в плавающем затворе транзистор работает в обычном ключевом режиме.