Переходные полевые транзисторы

Полевой транзистор был предложен Юлиусом Лилиенфельдом в патентах США в 1926 и 1933 годах (1 900 018). Более того, Шокли, Браттейн и Бардин исследовали полевой транзистор в 1947 году. Однако крайние трудности отвлекли их на изобретение биполярного транзистора. Теория полевого транзистора Шокли была опубликована в 1952 году. Однако технология обработки материалов не была достаточно зрелой до 1960 года, когда Джон Аталла создал рабочее устройство.

полевой транзистор (FET) - это униполярный устройство, проводящее ток, используя только один вид носителя заряда. Если он основан на пластине полупроводника N-типа, носителями являются электроны. И наоборот, устройство на основе P-типа использует только отверстия.

Работа полевого транзистора

На уровне схемы работа полевого транзистора проста. Напряжение, приложенное к затвору , элемент ввода, управляет сопротивлением канала - униполярная область между затворными областями. (Рисунок ниже) В N-канальном устройстве это слегка легированная пластина кремния N-типа с выводами на концах. источник и слив клеммы аналогичны эмиттеру и коллектору, соответственно, BJT. В N-канальном устройстве тяжелая область P-типа по обе стороны от центра плиты служит управляющим электродом, затвором. Ворота аналогичны основанию BJT.

«Чистота рядом с благочестием» относится к производству полевых транзисторов. Хотя можно сделать биполярные транзисторы вне чистой комнаты . , это необходимость для полевых транзисторов. Даже в таких условиях производство затруднено из-за проблем с контролем загрязнения. Униполярный полевой транзистор концептуально прост, но труден в изготовлении. Большинство современных транзисторов представляют собой разновидность металлооксидных полупроводников (см. Следующий раздел) полевых транзисторов, содержащихся в интегральных схемах. Однако доступны дискретные устройства JFET.

Поперечное сечение перехода полевого транзистора.

Правильно смещенный полевой транзистор с N-канальным переходом (JFET) показан на рисунке выше. Затвор представляет собой диодный переход между истоком и стоком полупроводниковой пластины. Затвор имеет обратное смещение. Если бы между истоком и стоком было приложено напряжение (или омметр), полоса N-типа могла бы проводить в любом направлении из-за легирования. Для проведения проводимости не требуется ни затвор, ни смещение затвора. Если затворный переход сформирован, как показано, проводимостью можно управлять с помощью степени обратного смещения.

На рисунке ниже (а) показана обедненная область в затворном переходе. Это происходит из-за диффузии дырок из области затвора P-типа в канал N-типа, обеспечивая разделение зарядов вокруг перехода с непроводящей обедненной областью на переходе. Область обеднения простирается более глубоко в сторону канала из-за сильного легирования затвора и легирования легкого канала.

N-канальный полевой транзистор:(а) истощение на затворном диоде. (b) Затворный диод с обратным смещением увеличивает область обеднения. (c) Увеличение обратного смещения увеличивает область истощения. (d) Увеличение обратного смещения отсекает канал S-D.

Толщина обедненной области может быть увеличена на рисунке выше (b) путем применения умеренного обратного смещения. Это увеличивает сопротивление истока к дренажному каналу за счет сужения канала. Увеличение обратного смещения в (c) увеличивает область обеднения, уменьшает ширину канала и увеличивает сопротивление канала. Увеличение обратного смещения VGS в (d) ущемляет ток канала. Сопротивление канала будет очень высоким. Эта VGS, при которой происходит отсечка, является VP, напряжением отсечки. Обычно это несколько вольт. Подводя итог, можно сказать, что сопротивление канала можно контролировать с помощью степени обратного смещения затвора.

Исток и сток взаимозаменяемы, а ток от истока к оттоку может течь в любом направлении при низком уровне напряжения стока батареи (<0,6 В). То есть разрядная батарея может быть заменена источником переменного тока низкого напряжения. Для высокого напряжения стока, до 10 вольт для небольших сигнальных устройств, полярность должна быть такой, как показано на рисунке ниже (а). Этот источник питания стока, не показанный на предыдущих рисунках, искажает область истощения, увеличивая ее на стороне стока затвора. Это более правильное представление для обычных напряжений питания стока постоянного тока, от нескольких до десятков вольт. По мере увеличения напряжения на стоке VDS область истощения затвора расширяется по направлению к стоку. Это увеличивает длину узкого канала, немного увеличивая его сопротивление. Мы говорим «немного», потому что большие изменения сопротивления происходят из-за изменения смещения затвора. На рисунке ниже (b) показано схематическое изображение N-канального полевого транзистора по сравнению с кремниевым поперечным сечением в точке (a). Стрелка затвора указывает в том же направлении, что и переходной диод.

«Указывающая» стрелка и «не указывающая» полоса соответствуют полупроводникам P- и N-типа соответственно.

Ток на N-канальном полевом транзисторе JFET течет от стока к истоку в (a) поперечном сечении, (b) схематическом обозначении.

На рисунке выше показан большой ток, протекающий от (+) клеммы батареи к сливу полевого транзистора, от истока, возвращающемуся к (-) клемме батареи. Этим потоком можно управлять, изменяя напряжение на затворе. Нагрузка, включенная последовательно с батареей, видит усиленную версию изменяющегося напряжения затвора.

Также доступны полевые транзисторы с P-каналом. Канал изготовлен из материала P-типа. Затвор представляет собой сильно легированную область N-типа. Все источники напряжения перевернуты в P-канальной цепи (рисунок ниже) по сравнению с более популярным N-канальным устройством. Также обратите внимание, что стрелка указывает на затвор на схематическом изображении (b) полевого транзистора с каналом P-типа.

P-канальный JFET:(a) затвор N-типа, канал P-типа, источники обратного напряжения по сравнению с N-канальным устройством. (b) Обратите внимание на перевернутую стрелку затвора и источники напряжения на схеме.

По мере увеличения положительного напряжения смещения затвора сопротивление P-канала увеличивается, уменьшая ток в цепи стока.

Дискретные устройства изготавливаются с поперечным сечением, показанным на рисунке ниже. Поперечное сечение, ориентированное так, чтобы соответствовать условному обозначению, перевернуто по сравнению с полупроводниковой пластиной. То есть соединения затвора находятся наверху пластины. Затвор сильно легирован, P +, для хорошей диффузии дырок в канал для большой обедненной области. Соединения истока и стока в этом N-канальном устройстве сильно легированы N + для снижения сопротивления соединения. Однако канал, окружающий затвор, слегка легирован, чтобы отверстия от затвора могли проникать глубоко в канал. Это N-регион.

Переходный полевой транзистор:(а) поперечное сечение дискретного устройства, (б) схематический символ, (в) поперечное сечение интегральной схемы.

Все три вывода на полевых транзисторах доступны на верхней части кристалла для версии с интегральной схемой, так что слой металлизации (не показан) может соединять между собой несколько компонентов. (Рисунок выше (c)) Полевые транзисторы на интегральных схемах используются в аналоговых схемах из-за высокого входного сопротивления затвора. Область N-канала под затвором должна быть очень тонкой, чтобы внутренняя область вокруг затвора могла контролировать и ограничивать канал. Таким образом, области затвора по обе стороны канала не нужны.

СИДАТЬ

Соединительный полевой транзистор (тип статической индукции):(а) поперечное сечение, (б) схематическое изображение.

Полевой транзистор со статической индукцией (SIT) представляет собой устройство с коротким каналом и скрытым затвором. (Рисунок выше) Это силовое устройство, в отличие от небольшого сигнального устройства. Низкое сопротивление затвора и малая емкость затвора относительно истока делают устройство быстрой коммутации. SIT способен выдавать сотни ампер и тысячи вольт. И, как говорят, способен работать на невероятной частоте 10 ГГц.

Металлический полупроводниковый полевой транзистор (MESFET):(a) схематический символ, (b) поперечное сечение.

MESFET

Металлический полупроводниковый полевой транзистор (MESFET) похож на JFET, за исключением того, что затвор представляет собой диод Шоттки, а не переходной диод. диод Шоттки представляет собой металлический выпрямляющий контакт к полупроводнику по сравнению с более распространенным омическим контактом. На рисунке выше исток и сток сильно легированы (N +). Канал слегка легирован (N-). MESFET имеют более высокую скорость, чем JFET. MESFET - это устройство в режиме истощения, обычно включенное, как JFET. Они используются как усилители мощности СВЧ до 30 ГГц. MESFET могут быть изготовлены из кремния, арсенида галлия, фосфида индия, карбида кремния и алмазного аллотропа углерода.

ОБЗОР:

• Полевой транзистор с униполярным переходом (FET или JFET) называется так, потому что проводимость в канале обусловлена ​​одним типом несущей.
• Исток, затвор и сток JFET соответствуют эмиттеру, базе и коллектору BJT соответственно.
• Применение обратного смещения к затвору изменяет сопротивление канала за счет расширения области обеднения затворного диода.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист соединительных полевых транзисторов (JFET)