Полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, в котором управление током осуществляется с помощью электрического поля, создаваемого входным сигналом. Это поле действует перпендикулярно направлению тока. Ключевая особенность таких устройств заключается в том, что рабочий ток переносится носителями заряда только одного типа — либо электронами, либо дырками. Из-за этого их называют униполярными, в отличие от биполярных транзисторов, где участвуют оба типа носителей. В зависимости от механизма управления и внутреннего устройства, полевые транзисторы делятся на две основные категории.
Основные типы полевых транзисторов
К первой группе относятся приборы с управляющим p-n-переходом или переходом металл-полупроводник. Ко второй — более современные транзисторы с изолированным затвором, известные как МДП-транзисторы (металл-диэлектрик-полупроводник). В них в качестве диэлектрика часто используются оксидные или другие слоистые структуры. К этой же группе примыкают специализированные разновидности, такие как транзисторы с накоплением заряда в затворе (применяемые в памяти) и с плавающим затвором. Основными материалами для производства полевых транзисторов служат кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs), а для создания электродов — алюминий (Al), молибден (Mo) и золото (Au). История этих приборов началась в середине XX века благодаря работам американских учёных, включая Д. Канга, У. Шокли, С. Мида и М. Аталлу.
Принцип действия транзисторов с p-n-переходом
В транзисторах первой группы управляющий электрод (затвор) образует с полупроводником канала либо p-n-переход, либо переход металл-полупроводник. При подаче на затвор управляющего напряжения в области перехода формируется обеднённый слой, лишённый свободных носителей заряда. Это напряжение сужает проводящий канал, по которому течёт ток от истока к стоку. Чем больше напряжение на затворе, тем сильнее перекрывается канал. При достижении определённого порогового значения, называемого напряжением отсечки, ток через прибор практически прекращается.
Особенности МДП-транзисторов (с изолированным затвором)
В транзисторах с изолированным затвором металлический управляющий электрод отделён от канальной области тончайшим слоем диэлектрика толщиной 0.05–0.20 микрометра. Это обеспечивает чрезвычайно высокое входное сопротивление. Канал в таких приборах может быть создан технологически на этапе производства (встроенный канал) или индуцирован (сформирован) управляющим напряжением, подаваемым на затвор уже в процессе работы (индуцированный канал). От типа канала напрямую зависит передаточная характеристика транзистора.
Применение и характеристики
Полевые транзисторы нашли широчайшее применение в электронике для усиления сигналов по напряжению и мощности. По своим свойствам они являются твердотельным аналогом электронных ламп, что отражается в схожих параметрах: напряжение отсечки (0.5–20 В), крутизна передаточной характеристики (0.1–400 мА/В) и очень высокое входное сопротивление (1011–1016 Ом).
Транзисторы с управляющим p-n-переходом отличаются самым низким среди полупроводниковых приборов уровнем собственных шумов (в основном тепловых) в чрезвычайно широком диапазоне частот — от сверхнизких до СВЧ. Лучшие образцы таких транзисторов в СВЧ-диапазоне демонстрируют коэффициент шума около 3.5 дБ на частоте 2 ГГц, динамический диапазон свыше 100 дБ и предельную частоту усиления по мощности до 10 ГГц. Благодаря квадратичной передаточной характеристике они также обладают отличной помехоустойчивостью и избирательностью. Относительная простота конструкции и специфические схемотехнические свойства сделали полевые транзисторы, особенно МДП-типа, фундаментальным элементом больших интегральных схем, лежащих в основе современной вычислительной техники.
