Полевой транзистор

Полевой транзистор - полупроводниковый устройство, преимущественно с тремя выводами, в котором сила тока, протекающего между двумя электродами (истоком и стоком) регулируется напряжением, приложенным к третьему электроду (затвора [1]).


1. Строение

Схема строения металл-оксидного полевого транзистора

На рисунке справа схематически изображена строение одного из типов полевого транзистора: металл-оксидного ( MOSFET), или МОН (металл-оксид-полупроводник). Ток в транзисторе протекает через канал, создан легированной областью полупроводника, расположенной между подкладкой и затвором. К каналу подключены два электрода - исток, что является источником носителей заряда и сток, к которому носители заряда стекаются. Контакты между истоком и стоком и каналом делаются омическими. Для этого приконтактни области сильно легируют. Эти области обозначены на рисунке n +.


2. Принцип действия

По принципу действия полевой транзистор похож на водопроводный кран. Носители заряда протекают через канал, ограниченный с одной стороны подкладкой, в которой не может протекать ток, потому что в ней нет носителей заряда, и областью обеднения, которая образуется затвором благодаря контактной разности потенциалов. Шириной области обеднения можно управлять, прикладывая к затвору напряжение. При приложении обратного напряжения область обеднения расширяется и перекрывает большую часть канала. В канал как выдвигается заслонка. При определенном значении обратного напряжения область обеднения полностью перекрывает канал. Ток через канал уменьшается. В этом случае говорят, что транзистор закрыт. Соответствующее значение напряжения называется напряжением запирания. При приложении к затвору прямого напряжения, канал расширяется, пропуская больший ток.


3. Типа полевых транзисторов

Среди разновидностей полевых транзисторов можно выделить два основных класса: полевые транзисторы с затвором в виде pn перехода и полевые транзисторы с затвором, который изолирован от рабочего полупроводникового объема диэлектриком. Приборы этого класса часто также называют МДП транзисторами (от словосочетания металл - диэлектрик - полупроводник) и МОН транзисторами (от словосочетания металл - оксид - полупроводник), поскольку в качестве диэлектрика чаще всего используется диоксид кремния. В свою очередь транзисторы с изолированным каналом делятся на транзисторы со встроенным каналом и индуцированным каналом.

Также полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналом проводимости n-типа или p-типа.


4. Транзисторы с руководящим pn переходом

Полевой транзистор с руководящим pn переходом - это полевой транзистор, затвор которого изолирован (т.е. обособленное в электрическом отношении) от канала pn переходом, смещенным в обратном направлении.

Такой транзистор имеет два невипрямлювани контакты в области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два руководящих электронно-дырочных переходы, смещенных в обратном направлении. При изменении обратного напряжения на pn переходе изменяется его толщина и, следовательно, толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешней напряжением на руководящем pn переходе и по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком (Source). Электрод, через который из канала идут основные носители заряда, называют стоком (Drain). Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором (Gate).

Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по электропроводности канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Все полярности напряжений сдвига, которые подаются на электроды транзисторов с n-и с p-каналом, противоположны.

Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на pn переходе затвора (или на двух pn переходах одновременно). В связи с малостью обратных токов мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебаний как по мощности, так и по току и напряжению.

Таким образом, полевой транзистор по принципу действия аналогичен вакуумного триода. Утечка в полевом транзисторе подобный катоду вакуумного триода, затвор - сетке, сток - аноду. Но при этом полевой транзистор существенно отличается от вакуумного триода. Во-первых, для работы полевого транзистора не нужно подогрева катода. Во-вторых, любую из функций утечки и стока может выполнять каждый из этих электродов. В-третьих, полевые транзисторы могут быть сделаны как с n-каналом, так и с p-каналом, что позволяет удачно сочетать эти два типа полевых транзисторов в схемах.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управления выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе - входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно больший входное сопротивление, что связано с обратным смещением pn-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут иметь низкий уровень шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделен от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в pn переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.


5. Применение

Разработкой технологии интегральных схем полевые транзисторы почти вытеснили транзисторы из большинства отраслей электроники. Более 100 млн. транзисторов в процессоре компьютера, с помощью которого можно прочитать эту страницу Википедии, является полевыми транзисторами. Они используются также в микросхемах, которые входят в состав большинства радиоэлектронных приборов: мобильных телефонов, телевизоров, стиральных машин, холодильников и т.д.


6. История

Впервые идея использования эффекта поля (электрического) для модуляции проводимости на поверхности полупроводника была предложена Лилиенфельд в середине 20-х годов. Во второй половине 30-х годов Уильям Шокли попытался ее реализовать на поверхности германия, руководящий электрод разделялся с помощью слюдяной пластинки. Хотя эффект поля и подтвердился экспериментально, однако до практической реализации дело так и не дошло. И только в 1960 году, когда была разработана технология пассивации кремния (Девон Канг и Мартин Аталла), появились первые МДП-транзисторы. Модель работы МДП-транзистора была впервые предложена Са Ч.Т.


7. Смотри также

МДП-транзистор

Литература

  • Кобболд Р. Теория и применение полевых транзисторов. - Ленинград: Энергия, 1975. - 304 с.

Примечания

  1. Этот термин устоялся в литературе, хотя является заимствованием из русского языка. Соответствующие украинские сроки могли бы быть: задвижка, заслон, замок



Электроника Это незавершенная статья о электронику.
Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.


Физика Это незавершенная статья по физики.
Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.