Полевой транзистор

Полевой транзистор – это электрический полупроводниковый прибор, выходной ток которого управляется полем, а следовательно, и напряжением, одного знака. Формирующий сигнал подаётся на затвор и регулирует проводимость канала n или p-типа. В отличие от биполярных транзисторов, где сигнал может быть и переменной полярности. Вторым признаком является то, что ток образован только основными носителями, следовательно, и одного знака.

Классификация полевых транзисторов

Начать нужно именно с классификации по той причине, что разновидностей полевых транзисторов очень много, и каждая работает по своему алгоритму:

  1. Тип проводимости канала один из двух: n или р. От этого зависит полярность управляющего напряжения.
  2. По структуре. С р-n-переходом сплавные и диффузионные, МДП (МОП), с барьером Шоттки, тонкоплёночные.
  3. Число электродов – 3 или 4. В последнем случае подложка рассматривается как обособленный субъект, что позволяет управлять протеканием тока по каналу и с неё тоже (помимо затвора).
  4. Материал проводника. Сегодня наиболее распространены кремний, германий и арсенид галлия. Материал полупроводника закладывается в условное обозначение буквами (К, Г, А) или (в изделиях для военной промышленности) цифрами (1, 2, 3).
  5. Класс применения не входит в маркировку, но указывается обычно в справочниках, где прямо даются сведения о том, что полевой транзистор часто входит в состав усилителей, радиоприёмных устройств и пр. В мировой практике встречается деление по применяемости на следующие 5 групп: усилители высокой, низкой частоты, постоянного тока, модуляторы, ключевые.

    Полупроводниковые транзистор

    Полупроводниковые транзистор

  6. Диапазон электрических параметров определяет набор значений, в которых полевой транзистор сохраняет работоспособность. Это прежде всего напряжение, ток и частота.
  7. По конструктивным особенностям различают унитроны, алкатроны, текнетроны и гридисторы. Каждый из этих приборов имеет ключевые признаки. Так, например, электроды алкатрона выполнены в виде концентрических колец для увеличения объёма пропускаемого тока.
  8. По числу конструктивных элементов на одной подложке выделят сдвоенные, комплементарные и пр.

Но помимо общей классификации существует и специализированная, определяющая принципы работы в ней различают:

  1. Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом.
  2. Полевые транзисторы с барьером Шоттки.
  3. Полевые транзисторы с изолированным затвором:
  • С встроенным каналом.
  • С индуцированным каналом.

В литературе дополнительно упорядочивают структуры следующим образом: применять обозначение МОП нецелесообразно, потому что конструкции на оксидах являются частным случаем МДП (металл, диэлектрик, полупроводник). А вот барьер Шоттки (МеП) следует как-то отдельно выделять, поскольку это принципиально иная структура. Хотя и напоминает по свойствам p-n-переход. Добавим к этому, что конструктивно в состав одного и того же транзистора могут входить одновременно диэлектрик (нитрид кремния) и оксид (четырёхвалентный кремния), как это случилось с КП305. Такие технические решения используются для получения уникальных свойств изделия, либо удешевления.

FET устройства

FET устройства

Среди зарубежных аббревиатур для полевых транзисторов зарезервировано сочетание FET, которое иногда обозначает и тип управления – с p-n-переходом. В последнем случае наравне с этим можно встретить JFET. По сути – слова-синонимы. Именно за рубежом принято отделать оксидные (MOSFET, MOS, MOST – все синонимы) и нитридные (MNS, MNSFET) полевые транзисторы. Наличие барьера Шоттки маркируется, как SBGT. По-видимому, материал имеет, таким образом, какое-то значение, но в отечественной литературе этому не придают значения.

Электроды полевых транзисторов на схемах обозначаются, как: D (drain) – сток, S (source) – исток, G (gate) – затвор. Подложку принято именовать substrate.

Читайте также:  Люминесцентная лампа

Устройство полевого транзистора

Управляющий электрод полевого транзистора называется затвором. Канал может быть образован полупроводником с любым типом проводимости. В зависимости от этого полярность управляющего напряжения может быть положительной или отрицательной. Поле соответствующего знака вытесняет свободные носители до тех пор, пока перешеек под электродом затвора не опустеет вовсе. Это достигается за счёт воздействия поля либо на p-n-переход, либо на однородный полупроводник. Ток становится равным нулю. Так работает полевой транзистор.

Ток протекает от истока к стоку, и у многих сразу же возникает вопрос, чем отличаются эти два электрода. Нет разницы, в каком именно направлении движутся заряды. Полевой транзистор обратим. Униполярность носителей заряда объясняет малый уровень шумов. Вот почему в технике полевые транзисторы занимают доминирующую позицию.

Конструкция транзистора

Конструкция транзистора

Ключевой особенностью приборов является большое входное сопротивление, в особенности переменному току. Это очевидный факт, проистекающий из того, что управление осуществляется по обратно смещённому p-n-переходу (или переходу Шоттки), либо ёмкости технологического конденсатора в районе изолированного затвора.

В качестве подложки часто применяют нелегированный полупроводник. Например, для полевых транзисторов с затвором Шоттки это может быть арсенид галлия. В чистом виде это неплохой изолятор, к которому в составе изделия предъявляются следующие требования:

  1. Отсутствие негативных явления на стыке с каналом, истоком и стоком: светочувствительность, паразитное управление по подложке, гистерезис параметров.
  2. Термостабильность в процессе технологических циклов изготовления изделия: устойчивость к отжигу, эпитаксии. Отсутствие диффузии примесей в активные слои и вызванной этим деградации.
  3. Минимум примесей. Это требование тесно связано с предыдущим.
  4. Качественная кристаллическая решётка с минимумом дефектов.

Сложно создать значительной толщины слой, который отвечал бы всем условиям. Поэтому можно добавить пятое требование, заключающееся в возможности постепенного наращивания подложки до нужных размеров.

Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом и МеП

В этом случае тип проводимости материала затвора отличается от того, что используется в канале. На практике используются самые разные улучшения. Например, затвор может быть составлен из пяти областей, утопленных в канале. В результате меньшим напряжением удаётся управлять протеканием тока. Что означает увеличение коэффициента усиления.

Устройство с p-n-переходом

Устройство с p-n-переходом

В схемах используется обратное смещение p-n-перехода, и чем оно сильнее, тем уже канал для протекания тока. При некотором значении напряжения транзистор запирается. Прямое смещение опасно использовать по той причине, что мощная управляемая цепь может повлиять на контур затвора. Если переход открыт, то потечет большой ток, либо приложится высокое напряжение. Нормальный режим обеспечивается правильным подбором полярности и других характеристик источника питания, выбором рабочей точки транзистора.

Однако в некоторых случаях намеренно используются прямые токи затвора. Примечательно, что этот режим могут использовать и те МДП-транзисторы, где подложка образует с каналом p-n-переход. Движущийся заряд истока делится между затвором и стоком. Можно найти область, где получается значительный коэффициент усиления по току. Управляется режим от затвора. Но при росте тока iз (например, до 100 мкА) параметры схемы резко ухудшаются.

Аналогичное включение используется в схеме так называемого затворного частотного детектора. Он используется выпрямительные свойства p-n-перехода между затвором и каналом. Прямое смещение при этом очень малое или вовсе нулевое. Прибор по-прежнему управляется током затвора. В цепи стока получается значительное усиление сигнала. Выпрямленное напряжение для затвора является запирающим и изменяется по входному закону. Одновременно с детектированием достигается и усиление сигнала.  Напряжение в цепи стока содержит следующие компоненты:

  • Постоянная составляющая. Никак не используется.
  • Сигнал с частотой несущей. Заводится на землю путём использования фильтрующих ёмкостей.
  • Сигнал с частотой модулирующего сигнала. Обрабатывается для извлечения заложенной информации.

Недостатком затворного частотного детектора является большой коэффициент нелинейных искажений. Причём результаты одинаково плохие для слабых (квадратичная зависимость рабочей характеристики) и сильных (выход в режим отсечки) сигналов. Несколько лучшие результаты демонстрирует фазовый детектор на двухзатворном транзисторе. На один из управляющих электродов в этом случае подаётся опорный сигнал, а на стоке образуется информационная составляющая, уже усиленная полевым транзистором.

Несмотря на большие линейные искажения эффект находит применение. Например, в избирательных усилителях мощности, дозировано пропускающих узкий спектр частот. Гармоники фильтруются и не оказывают большого влияния на итоговое качество работы схемы.

Читайте также:  Защитное заземление

Транзисторы металл-полупроводник (МеП) с барьером Шоттки почти ничем не отличаются от имеющих p-n-переход. По крайней мере, когда дело касается принципов работы. Но благодаря особым качества перехода металл-полупроводник эти изделия могут работать на более высокой частоте (десятки ГГц, граничные частоты в районе 100 ГГц). Одновременно МеП структура проще в реализации, когда дело касается производства и технологических процессов. Частотные характеристики определяются временем заряда затвора и подвижностью носителей (для GaAs более 10000 кв. см/В с).

МДП-транзисторы

В МДП-структурах затвор надёжно изолирован от канала, и управление происходит полностью за счёт воздействия поля. Изоляция ведётся за счёт оксида кремния или нитрида. Именно эти покрытия проще всего нанести на поверхности кристалла. Примечательно, что в этом случае также имеются и переходы металл-полупроводник в районе истока и стока, как и в любом полярном транзисторе. Об этом факте как-то забывают многие авторы, либо упоминают вскользь путём применения загадочного словосочетания омические контакты.

В теме про Диод Шоттки уже поднимался этот вопрос. Не всегда на стыке металла и полупроводника возникает барьер. В некоторых случаях контакт омический. Это зависит по большей части от особенностей технологической обработки и геометрических размеров. Технические характеристики реальных приборов сильно зависят от различных дефектов оксидного (нитридного) слоя. Вот некоторые из них:

  1. Несовершенство кристаллической решётки в поверхностной области обусловлено разорванными связями на границе смены материалов. Своё влияние оказывают как свободные атомы полупроводника, там и примесей наподобие кислорода, который имеется в любом случае. Например, при использовании методов эпитаксии. В результате появляются энергетические уровни, лежащие в глубине запрещённой зоны.
  2. На границе оксида и полупроводника (толщиной 3 нм) образуется избыточный заряд природа которого на сегодняшний день ещё не объяснена. Предположительно, роль играют положительные свободные места (дырки) дефектных атомов самого полупроводника и кислорода.
  3. Дрейф ионизированных атомов натрия, калия и других щелочных металлов происходит при низких напряжениях на электроде. Это увеличивает заряд, скопившийся на границе слоёв. Для блокировки этого эффекта в оксиде кремния используют окись фосфора (ангидрид).

Объёмный положительный заряд в оксиде влияет на значение порогового напряжения, при котором отпирается канал. В свою очередь, этот параметр обусловливает скорость переключения и определяет ток утечки (ниже порога). Кроме того, на срабатывание влияют материал затвора, толщина оксидного слоя, концентрация примесей. Таким образом, все опять сводится к технологии. Чтобы получить заданный режим, подбирают материалы, геометрические размеры, процесс изготовления с более низкими температурами. Некоторые приёмы позволяют также уменьшить количество дефектов, что благоприятно сказывается на снижении паразитного заряда.