Lauko tranzistoriai

1. Lauko tranzistoriai

Lauko tranzistoriai valdomi elektriniu lauku. Lauko tranzistoriuose išėjimo srovė teka kanalu, kuris gali būti N arba P tipo. Kadangi srovės srautas susideda iš vienos rūšies krūvininkų – elektronų N kanalo tipo tranzistoriuose ir skylių P kanalo tipo tranzistoriuose, lauko tranzistoriai priskiriami prie unipoliariųjų tranzistorių.

Lauko tranzistoriai skirstomi į valdančiosios PN sandūros lauko tranzistorius (sandūrinius) ir izoliuotosios užtūros, kitaip MDP (metalo, dielektriko ir puslaidininkio) arba MOP (metalo, oksido ir puslaidininkio), lauko tranzistorius. Valdančiosios PN sandūros lauko tranzistoriuose tarp valdymo elektrodo ir kanalo suformuota ir atvirkštine kryptimi įjungta PN sandūra. Izoliuotosios užtūros lauko tranzistoriuose tarp valdymo išvado ir kanalo suformuojamas labai plonas silicio dioksido sluoksnis. MOP lauko tranzistoriai gali būti skirstomi į indukuotojo ir pradinio kanalo tranzistorius. 1 paveiksle parodyti valdančiosios PN sandūros ir MOP lauko tranzistorių grafiniai schemų ženklai.

1 pav. Lauko tranzistorių grafiniai schemų ženklai: valdančiosios PN sandūros N kanalo (a), valdančiosios PN sandūros P kanalo (b), MOP su indukuotuoju N kanalu (c), MOP su indukuotuoju P kanalu (d), MOP su pradiniu N kanalu (e), MOP su pradiniu P kanalu (f)

Lauko tranzistorių išvadai ir jų žymenys: ištaka (S – Source) - tai elektrodas, iš kurio į kanalą injektuojami krūvininkai; santaka (D – Drain) – elektrodas, į kurį iš kanalo suteka krūvininkai; užtūra (G – Gate) – elektrodas, kurio elektriniu lauku valdoma kanalo varža.

Visiems lauko tranzistoriams būdinga labai maža įėjimo srovė, nes didelė įėjimo varža: užtūra izoliuota nuo kanalo arba su kanalu sudaroma atvirkštine kryptimi įjungta PN sandūra. Lauko tranzistoriai valdomi lauku arba potencialu, o dvikrūviai tranzistoriai valdomi srove. Ši lauko tranzistorių savybė yra svarbiausia savybė, skirianti juos nuo dvikrūvių tranzistorių ir leidžianti juos panaudoti ten, kur dvikrūviai tranzistoriai negali būti naudojami.

Lauko tranzistorių veikimas pagrįstas lauko efektu. Lauko efektu vadinamas krūvininkų tankio ir puslaidininkio paviršinio laidumo kitimas, kintant puslaidininkio paviršiui statmenam elektriniam laukui. Jei MDP struktūros puslaidininkis yra N tipo ir prie metalo prijungta teigiamo poliarumo įtampą o prie puslaidininkio – neigiamo poliarumo įtampą metalinis elektrodas įsikrauna teigiamai. Teigiamas metalinio elektrodo krūvis traukia neigiamus elektronus, todėl paviršiniame puslaidininkio sluoksnyje padidėja elektronų tankis, didėja to sluoksnio laidumas.

Pakeitus išorinės įtampos poliarumą metalinis elektrodas įsikrauna neigiamai. Neigiamas metalinio elektrodo krūvis stumia elektronus nuo puslaidininkio paviršiaus, paviršiniame puslaidininkio sluoksnyje sumažėja pagrindinių krūvininkų tankis ir susidaro nuskurdintasis sluoksnis. Neigiamas metalinio elektrodo krūvis traukia prie puslaidininkio paviršiaus skyles, skylių tankis didėja. Toliau kylant įtampai, pasiekiama slenkstinė įtampą kai elektronų ir skylių tankiai susilygina. Kai skylių tankis viršija elektronų tankį, puslaidininkio paviršiuje susidaro inversinis skylinio laidumo sluoksnis.

2. Valdančiosios PN sandūros lauko tranzistorius

Dažniausiai naudojami N kanalo tipo valdančiosios PN sandūros lauko tranzistoriai, kadangi jie labiau tinka naudoti grandinėse su teigiama maitinimo įtampa. 2 paveiksle parodyta tokio tranzistoriaus struktūra. Kanalo sritis yra lygiagreti paviršiui, kanalo galuose prijungiami ištakos ir santakos išvadai. Šalia N laidumo kanalo suformuojama P laidumo sritis, prie kurios prijungiamas užtūros elektrodas. Tarp P laidumo užtūros srities ir N kanalo susiformuoja PN sandūra. 3 paveiksle parodyta supaprastinta valdančiosios PN sandūros lauko tranzistoriaus struktūra.

2 pav. Valdančiosios PN sandūros lauko tranzistoriaus struktūra

3 pav. Supaprastinta valdančiosios PN sandūros lauko tranzistoriaus struktūra

Tarkim, pradžioje užtūros elektrodo įtampa lygi nuliui. Jei prijungiama santakos ir ištakos įtampą kanalu teka santakos srovė. Dėl įtampos kritimo kanalo puslaidininkyje susiformuoja skirtinga įtampa tarp užtūros ir kanalo ties santaka ir tarp užtūros ir kanalo ties ištaka. Taip užtūros ir kanalo ties santaka gaunama didesnė atvirkštinė įtampą PN sandūra toje vietoje labiausiai įsiskverbia į kanalą. Toliau didinant santakos ir ištakos įtampą sandūra įsiskverbia į visą kanalo gylį – pasiekiama soties įtampos reikšmė. Iki šios įtampos santakos srovė tiesiškai priklauso nuo santakos ir ištakos įtampos. Kanalo užtvėrimas ties soties įtampa santakos srovės visiškai nenutraukią nes elektronai yra injektuojami į užtvarinį sluoksnį ir dėl įtampos kritimo siurbiami į santaką. Tranzistorius pereis į soties režimą: santakos srovė šiek tiek didės, didinant santakos ir ištakos įtampą.

Santakos srovės valdymas pasiekiamas prijungus neigiamo poliarumo užtūros ir ištakos įtampą. Šita įtampa padidina užtvarinio sluoksnio tarp užtūros ir kanalo storį. Kanalas plonėją o jo varža didėja. Kuo didesnė bus užtūros ir ištakos įtampą tuo mažesnė tekės santakos srovė. Užtūros ir ištakos įtampą kuriai esant PN sandūra visiškai užtveria kanalą ir tranzistorius užsidaro, vadinama atkirtos įtampa.

Kadangi santakos srovė valdoma atvirkštine kryptimi įjungta PN sandūrą valdančiosios PN sandūros lauko tranzistorių įėjimo varža yra didelė ir siekia 10⁸...10¹⁰ Ω. Todėl galima sakyti, kad tokio lauko tranzistoriaus išėjimo srovė valdoma įėjimo įtampa.

Valdančiosios PN sandūros lauko tranzistoriaus santakos srovės priklausomybės nuo įtampų nusakomos jo išėjimo (4 pav., a) ir perdavimo (4 pav., b) charakteristikomis.

4 pav. Valdančiosios PN sandūros lauko tranzistoriaus išėjimo (a) ir perdavimo (b) voltamperinės charakteristikos

Išėjimo charakteristikoje tranzistoriaus santakos srovė iki soties įtampos tiesiškai priklauso nuo santakos ir ištakos įtampos. Esant soties režimui, santakos srovė šiek tiek didėja, didinant santakos ir ištakos įtampą. Tranzistoriaus soties režimo santakos srovė priklauso nuo užtūros ir ištakos įtampos. Esant nulinei užtūros ir ištakos įtampai, tranzistoriumi teka didžiausia santakos srovė. Tranzistorius uždaromas padidinus užtūros ir ištakos įtampą iki atkiltos įtampos. Esant didelėms santakos ir ištakos įtampoms, užtūros ir santakos sritis elektriškai pramušama, santakos srovė pradeda staigiai didėti.

3. Lauko tranzistorius su valdančiąja metalo ir puslaidininkio sandūra

Lauko tranzistoriaus su valdančiąja metalo ir puslaidininkio sandūra pagrindui naudojamas mažai legiruotas galio arsenidas. Pagrindo specifinė varža didelė, todėl jį galima laikyti dielektriku. Ant pagrindo užauginamas plonas epitaksinis N tipo galio arsenido sluoksnis. Ant šio sluoksnio sudaromi ištakos ir santakos metaliniai elektrodai. Užtūros elektrodui panaudota tokia medžiaga, kad tarp užtūros elektrodo ir epitaksinio N sluoksnio susidarytų Šotkio barjeras. Veikiant užtūros įtampai, nuskurdęs sluoksnis po užtūros elektrodu storėją o N kanalas plonėja.

4. MOP tranzistorius su indukuotuoju kanalu

Izoliuotosios užtūros lauko tranzistoriaus su indukuotuoju N kanalu struktūrą sudaro P tipo puslaidininkio pagrindas, kuriame suformuotos labai legiruotos N⁺ sritys (5 pav.). Nuo šių sričių išvesti ištakos ir santakos elektrodai. Puslaidininkio sritis tarp ištakos ir santakos padengta izoliaciniu silicio dioksido sluoksniu, kurio paviršius metalizuojamas ir išvedamas užtūros elektrodas.

Kol prie užtūros neprijungta įtampą tarp santakos ir ištakos negali tekėti srovė, nes esant bet kokio poliarumo santakos ir ištakos įtampai viena iš dviejų PN sandūrų bus įjungta atvirkštine kryptimi. Prijungus prie užtūros teigiamą įtampą P srities šalutiniai krūvininkai elektronai bus pritraukiami ir P srities paviršiuje po izoliaciniu sluoksniu tarp santakos ir ištakos sričių susidarys inversinis N tipo laidumo kanalas. Didėjant valdymo elektrodo įtampai, kanale didėja elektronų tankis, didėja kanalo laidumas. Tranzistorius su indukuotuoju kanalu veikia kanalo sodrinimo režimu.

5 pav. MOP lauko tranzistoriaus su indukuotuoju N kanalu struktūra

Tranzistoriaus santakos srovė pradeda tekėti, kai užtūros įtampa viršija slenkstinę įtampą U_GST (6 pav.). Didėjant užtūros įtampai, didėja krūvininkų tankis kanale, santakos srovė stiprėja. Kol santakos ir ištakos įtampa silpną santakos srovė tiesiškai priklauso nuo įtampos. Didėjant santakos ir ištakos įtampai, didėja įtampos kritimas kanale, o įtampa tarp santakos ir užtūros mažėja. Kartu mažėja krūvininkų tankis prie santakos esančiame kanalo gale, tarp kanalo ir santakos susidaro nuskurdintas sluoksnis. Tranzistorius pereina į netiesinį soties režimą santakos srovė šiek tiek stiprėją nes trumpėja kanalas ir mažėja jo varža.

6 pav. MOP tranzistoriaus su indukuotuoju N kanalu perdavimo (a) ir išėjimo (b) voltamperinės charakteristikos

V MOP tranzistorius, arba MOP tranzistorius su V užtūrą – tai MOP tranzistorius su indukuotuoju kanalu, kuriame ištaką kanalas ir santaka išdėstyti vertikaliai vienoje arba abiejose „V“ pavidalo griovelio pusėse (7 pav.). Kadangi kanalas formuojamas labai ploname P sluoksnyje, jis būna labai trumpas. Trumpas kanalas po užtūra sudaro mažas parazitines talpas, todėl V MOP tranzistorius gali dirbti esant aukštiems signalo dažniams. Tranzistoriaus srovė sustiprinama kitoje griovelio pusėje suformavus kitą ištakos elektrodą. Gaminant didelės galios V MOP tranzistorius, viename kristale suformuojama daug struktūrų, kurios sujungiamos lygiagrečiai. Dėl mažai legiruoto N sluoksnio gaunama didelė pramušimo įtampa.

5. MOP tranzistorius su pradiniu kanalu

Izoliuotosios užtūros lauko tranzistoriaus su pradiniu N kanalu struktūrą sudaro P tipo puslaidininkio pagrindas, kuriame suformuotos labai legiruotos N⁺ sritys (8 pav.). Nuo šių sričių išvesti ištakos ir santakos elektrodai. Tarp ištakos ir santakos sričių suformuojamas plonas mažai legiruotas N laidumo kanalas. Puslaidininkio sritis tarp ištakos ir santakos padengta izoliaciniu silicio dioksido sluoksniu, kurio paviršius metalizuojamas ir išvedamas užtūros elektrodas.

8 pav. MOP lauko tranzistoriaus su pradiniu N kanalu struktūra

Tarkim, pradžioje užtūros elektrodo įtampa lygi nuliui. Jei prijungiama santakos ir ištakos įtampą kanalu teka santakos srovė (9 pav.). Dėl įtampos kritimo kanalo puslaidininkyje susiformuoja skirtinga įtampa tarp užtūros ir kanalo ties santaka ir tarp užtūros ir kanalo ties ištaka. Tarp užtūros ir kanalo ties santaka gaunama didesnė įtampą kuri stumia iš kanalo elektronus ir pritraukia skyles. Mažėja krūvininką tankis prie santakos esančiame kanalo gale, tarp kanalo ir santakos susidaro nuskurdintasis sluoksnis. Toliau didinant santakos ir ištakos įtampą kanalas ties santaka išnyksta – pasiekiama soties įtampos reikšmė. Iki šios įtampos santakos srovė tiesiškai priklauso nuo santakos ir ištakos įtampos. Kanalo užtvėrimas ties soties įtampa santakos srovės visiškai nenutraukia. Tranzistorius pereis į soties režimą: didinant santakos ir ištakos įtampą santakos srovė šiek tiek didės.

9 pav. MOP lauko tranzistoriaus su pradiniu N kanalu perdavimo (a) ir išėjimo (b) voltamperinės charakteristikos

Prijungus prie užtūros teigiamą įtampą į kanalo N sritį iš ištakos ir santakos N⁺ sričių pritraukiami papildomai laisvieji krūvininkai elektronai. Didėjant valdymo elektrodo įtampai, kanale didėja elektronų tankis, didėja kanalo laidumas, didėja santakos srovė. Prijungus prie užtūros teigiamą įtampą tranzistorius su pradiniu kanalu veikia kanalo sodrinimo režimu.

6. Lauko tranzistorių ribiniai parametrai

Kuo plonesnis oksido sluoksnis arba PN sandūra tarp užtūros ir kanalo, tuo lauko tranzistorius jautresnis valdymo įtampai, tačiau tuo tranzistorius jautresnis viršįtampiams. Per didelė valdymo įtampa sugadina izoliatorių, netgi tada, kai tai yra tik trumpas impulsas. Dėl mažos talpos labai maža energija gali pramušti izoliatorių. Sritis tarp užtūros ir kanalo yra jautriausia visų valdančiosios PN sandūros ir MOP tranzistorių vieta. Apsaugai tarp užtūros ir kanalo formuojami stabilitronai, kurie padidina srovę ir talpą tarp užtūros ir ištakos. Leistinų užtūros ir ištakos įtampų diapazoną apibrėžia didžiausia leistina užtūros ir ištakos įtampa U_GSmax Didžiausią leistiną santakos ir ištakos įtampą U_DSmax sąlygoja santakos ir užtūros srities pramušimas.