Полевые транзисторы с p-n переходом (JFET): конструкция, работа и продвинутые варианты

Концепция полевого транзистора восходит к патентам Джулиуса Лиленфельда 1926 и 1933 годов (США 1,900,018). В 1947 Шокли, Браттейн и Бардин исследовали прибор, но практические препятствия перенаправили их к биполярному транзистору. Фундаментальная теория Шокли появилась в 1952, но только в 1960 Джон Аталла изготовил работающий JFET, отмечая веху в полупроводниковой технологии.

Полевой транзистор (FET) — унополярный прибор, проводящий ток с помощью одного типа зарядовых носителей. n-тип пластина проводит электроны, p-тип — дырки.

Принцип работы FET

На уровне схемы напряжение на затворе управляет сопротивлением канала между истоком и стоком. В n-канальном приборе канал — слабо легированная n-тип кремниевая пластина; сильно легированные p-тип области по бокам образуют затвор, аналогичный базе БТ. Исток и сток соответствуют эмиттеру и коллектору соответственно.

Производство FET требует чистой комнаты. Даже незначительное загрязнение может сделать прибор негодным, что делает фабрикацию сложнее, чем для биполярных транзисторов. Сегодня большинство интегральных схем используют МОП-транзисторы (MOSFET), но дискретные JFET остаются в употреблении.

Переходный полевой транзистор: сечение.

В правильно смещённом n-канальном JFET затвор образует обратное смещённый диодный переход с исток-сток пластиной. При приложении напряжения между истоком и стоком слабо легированный n-канал проводит в любом направлении — смещение затвора не требуется для проводимости. Однако приложение обратного смещения к затвору расширяет область обеднения, увеличивая сопротивление канала. Напряжение затвора, при котором канал зажимается, называется зажимовым напряжением (V_P), обычно несколько вольт.

Рисунок 1 показывает рост области обеднения при увеличении обратного смещения: (а) начальная область, (б) умеренное смещение расширяет область, (в) более высокое смещение сужает канал, (г) зажим, резко повышающий сопротивление.

Исток и сток взаимозаменяемы, позволяя току течь в любую сторону при низких стоковых напряжениях (<0,6 В). При более высоких напряжениях питания стока (десятки вольт) область обеднения расширяется к стоку, слегка увеличивая сопротивление канала. Схематический символ n-канального FET показан ниже, со стрелкой затвора, указывающей на диодоподобный переход.

n-канальный JFET: сечение (а) и схематический символ (б). Стрелка указывает в том же направлении, что и в диоде. Неуказательная черта обозначает n-тип материал.

В p-канальном приборе роли меняются: канал p-тип, затвор сильно легирован n-тип, все полярности напряжений инвертированы относительно n-канальной конфигурации. Схематическая стрелка указывает наружу от затвора.

p-канальный JFET: (а) сечение, (б) схематический символ. Увеличение положительного смещения затвора повышает сопротивление, снижая стоковый ток.

Дискретные JFET изготавливают с затвором на верхней поверхности пластины, сильно легированным p⁺ для широкой области обеднения, и сильно легированными n⁺ истоком/стоком для минимизации контактного сопротивления. Слабо легированный n⁻ канал позволяет глубокое проникновение затворно-индуцированной области обеднения.

Сечения JFET: (а) дискретный прибор, (б) схематический символ, (в) топология интегральной схемы.

Интегральные FET выносят все три вывода на поверхность кристалла, позволяя металлизационным слоям соединять множество приборов. Для высокочастотных аналоговых применений канал под затвором делают очень тонким, устраняя необходимость в затворных областях с обеих сторон.

Статический индукционный транзистор (SIT)

SIT — короткоканальные приборы с зарытым затвором, спроектированные для работы с высокой мощностью. Они обладают низким затворным сопротивлением и минимальной ёмкостью затвор-исток, обеспечивая быстрое переключение. SIT могут выдавать сотни ампер, тысячи вольт и достигать частот до 10 ГГц.

Металл-полупроводниковый FET (MESFET)

MESFET похожи на JFET, но используют Шотткиевский металлический контакт как затвор вместо p-n перехода. Шотткиевский затвор даёт меньшую ёмкость и более высокую скорость. MESPET — деплишн-режимные приборы (нормально открытые) и применяются как микроволновые усилители мощности до 30 ГГц. Их можно изготавливать на кремнии, арсениде галлия, фосфиде индия, карбиде кремния и алмазе.

Ключевые выводы

• JFET — унополярные приборы; проводимость канала опирается на один тип носителей.
• Обратное смещение затвора управляет сопротивлением канала через расширение области обеднения.
• Исток, затвор, сток напрямую соответствуют эмиттеру, базе и коллектору БТ.
• Продвинутые варианты — SIT и MESFET — расширяют принципы JFET на высокомощные и высокочастотные применения.

Дополнительное обучение

• Рабочий лист: Переходные полевые транзисторы (JFET)