Идею полевого транзистора запатентовал Юлий Лилиенфельд (патентное свидетельство США 1900018 от 28 марта 1928 года), его публикации датируются в промежутке от 1926 до 1933 года. Более того, упомянутые в прошлом разделе Шокли, Браттейн и Бардин исследовали полевой транзистор в 1947 году. Однако по тем временам воплотить эти идеи в железе было крайне затруднительно, и эта учёная троица переключилась на разработку биполярного транзистора. Теоретические исследования по полевому транзистору Шокли опубликовал в 1952 году. Однако технологии обработки материалов были недостаточными до 1960 года, когда Джон Аталла представил работающее устройство.
Полевой транзистор (ПТ) – это однополярное 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 «дырки».
Принципы работы полевого транзистора
Схематично объяснить работу полевого транзистора достаточно просто. Напряжение, приложенное к затвору (входному элементу), регулирует сопротивление канала (однополярной области между областями затвора). В N-канальном устройстве это слегка легированная пластина кремния N-типа с выводами на концах. Выводы истока и стока аналогичны эмиттеру и коллектору биполярного транзистора (БТ). В N-канальном устройстве тяжёлая область P-типа по обе стороны от центра пластины служит управляющим электродом, затвором. Затвор аналогичен базе БТ.
«Чистота находится рядом с благочестием» – это изречение как нельзя лучше подходит к производству полевых транзисторов. Биполярные транзисторы можно создавать и вне стерильного помещения, однако для полевых транзисторов идеальные условия чистоты обязательны. Даже в таких условиях производство затруднено из-за проблем с контролем загрязнения. Понять концепцию однополярного полевого транзистора легко, а вот сделать его – очень сложно. Большинство современных транзисторов представляют собой разновидность металлооксидных полупроводников (см. следующий раздел про полевые транзисторы MOSFET) – полевых транзисторов, содержащихся в интегральных схемах. Однако доступны и отдельные полевые транзисторы.
Рис. 1. Поперечное сечение полевого транзистора.
Правильно включённый полевой транзистор с N-канальным переходом показан на рисунке 1 выше. Затвор представляет собой диодный переход между истоком и стоком полупроводниковой пластины. Затвор имеет обратное включение. Если между истоком и стоком приложить напряжение (или омметр), полоска N-типа могла бы проводить в любом направлении из-за легирования. Для проводимости не требуется ни затвор, ни включение затвора. Если затворный переход сформирован, как показано, проводимостью можно управлять с помощью изменения степени обратного включения.
На рисунке 2.а ниже показана обеднённая область на стыке затвора. Это происходит из-за диффузии «дырок» из области затвора P-типа в канал N-типа, что обеспечивает разделение зарядов вокруг перехода с непроводящей обеднённой областью на переходе. Область обеднения простирается более глубоко в сторону канала из-за сильного легирования затвора и лёгкого легирования канала.
Рис. 2. N-канальный полевой транзистор: (а) обеднение на затворном диоде; (б) затворный диод с обратным включением увеличивает область обеднения; (в) увеличение обратного включения увеличивает область обеднения; (г) увеличение обратного включения отсекает канал исток/сток.
Ширина обеднённой области может быть увеличена (рисунок 2.б выше), если применить умеренное обратное включение. Это увеличивает сопротивление канала между истоком и стоком за счёт сужения канала. Увеличение обратного включения (рис. 2.в) увеличивает область обеднения, уменьшает ширину канала и увеличивает сопротивление канала. Увеличение обратного включения VЗатвор/Сток (рис. 2.г) отсечёт ток от канала. Сопротивление канала будет очень высоким. Эта VЗатвор/Сток, при которой происходит отсечка, является VОтсечка – напряжением отсечки. Обычно это несколько вольт. В итоге, сопротивление канала можно регулировать степенью обратного включения затвора.
Исток и сток взаимозаменяемы, и ток от истока к стоку 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 напряжения источника питания с высоким стоком, до 10 вольт для небольших слаботочных устройств, полярность должна быть такой, как показано на рисунке 3.а ниже. Этот источник питания стока, не показанный на предыдущих рисунках, меняет область обеднения, увеличивая её на стороне стока, примыкающего к затвору. Это более правильное представление для обычных напряжений питания постоянного тока для стока от нескольких до десятков вольт. Когда напряжение на стоке VСток/Исток увеличивается, область обеднения 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 включения затвора. На рисунке 3.б ниже показано схематическое изображение N-канального полевого транзистора в сравнении с кремниевым поперечным сечением на рисунке 3.а. Стрелка затвора указывает в том же направлении, что и переходной диод.
«Указывающая» стрелка и «не указывающая» полоса соответствуют полупроводникам P- и N-типа соответственно.
Рис. 3. (а) Ток N-канального ПТ протекает от стока к истоку в поперечном сечении; (б) схематический обозначение.
На рисунке 3 выше показан большой ток, протекающий от (+) клеммы батареи к стоку полевого транзистора, от истока, возвращающемуся к (-) клемме батареи. Этим потоком тока можно управлять, изменяя напряжение затвора. На нагрузку, включённую последовательно с батареей, подаётся усиленное изменяющееся напряжение затвора.
Также в ходу и 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 4 ниже) по сравнению с более популярным N-канальным устройством. Также обратите внимание, что стрелка указывает на затвор схематического обозначения (рис. 4.б) полевого транзистора с P-каналом.
Рис. 4. P-канальный ПТ: (а) затвор N-типа, канал P-типа, источники напряжения «перевёрнуты» по сравнению с N-канальным устройством; (б) обратите внимание на перевёрнутую стрелку затвора и источники напряжения на схеме.
По мере увеличения положительного напряжения включения затвора сопротивление P-канала увеличивается, уменьшая ток, протекающий в цепи стока.
Отдельные устройства изготавливаются с поперечным сечением, показанным на рисунке 5 ниже. Поперечное сечение, ориентированное так, чтобы соответствовать условному обозначению, перевёрнуто по сравнению с полупроводниковой пластиной. То есть соединения затвора находятся наверху пластины. Затвор сильно легирован, P+, что обеспечивает хорошую диффузию «дырок» в канал для большой обеднённой области. Соединения истока и стока в этом N-канальном устройстве сильно легированы, N+, что снижает сопротивление соединения. Однако канал, окружающий затвор, легирован слегка, дабы отверстия от затвора могли проникать глубоко в канал. Это N-область.
Все три вывода ПТ доступны на верхней части кристалла для версии с интегральной схемой, так что слой металлизации (не показано на рисунках) может соединять между собой несколько компонентов. Полевые транзисторы интегральной схемы (как рисунке 5.в) используются в аналоговых схемах для 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 с обеих сторон канала не нужны.
Полевой транзистор со статической индукцией (ПТСИ) – это устройство с коротким каналом и скрытым затвором (рисунок 6 выше). Это силовое, а не небольшое слаботочное устройство. Низкое сопротивление и малая ёмкость затвора относительно истока делают его устройством быстрой коммутации. ПТСИ способен выдавать сотни ампер и тысячи вольт. И (так говорят), он способен работать на невероятной частоте 10 ГГц.
Полевой транзистор с управляющим переходом металл/полупроводник (ПТМеП, иногда используется аббревиатура MESFET от англ. Metal semiconductor field effect transistor) похож на ПТ, основное отличие – затвор представляет собой диод Шотки вместо обычного переходного диода. Диод Шоттки – это ректификационный (выпрямляющий) контакт металла с полупроводником (а не обычный омический контакт). На рисунке 7 выше исток и сток сильно легированы (N+). Канал слегка легирован (N-). ПТМеП имеют более высокую скорость, чем стандартный ПТ. По сути, это устройство, работающее в режиме обеднения, как и обычный полевой транзистор. Такие транзисторы используются как СВЧ-усилители, доводя мощность до 30 ГГц. Обычно ПТМеП изготавливаются из кремния, арсенида галлия, фосфида индия, карбида кремния и алмазного аллотропного углерода.
Итог
Полевой транзистор с однополярным переходом (ПТ) называется так, потому что проводимость в канале обусловлена одним типом носителей (или электроны или «дырки», но не то и другое одновременно).
Исток, затвор и сток полевого транзистора соответствуют эмиттеру, базе и коллектору биполярного транзистора.
Приложение обратного включения к затвору изменяет сопротивление канала за счёт расширения области обеднения затворного диода.
