63. Униполярные полевые транзисторы
Работа униполярных транзисторов основана на использовании носителей только одного знака, отсюда название – униполярные. Управление каналом осуществляется управляющим электрическим полем – отсюда название – полевой.
Структура и принцип работы
Рис. 17.1. Структура унитрона, принцип работы и условные графические обозначения.
Этот транзистор
имеет канал n-
типа, который образован областью
полупроводника, заключённой между
p-областями.
При приложении напряжения к каналу И –
С, ток переносится основными носителями.
Электрод, от которого начинают движение
носители – исток (И), электрод, к которому
движутся носители – сток (С). Величина
тока, переносимого основными носителями
определяется напряжением
и сопротивлением канала, которое зависит
от степени легирования и геометрических
размеров. Толщина
ограничена двумя областями p,
которые электрически соединены между
собой и имеют общий электрод – затвор
(З). К затвору всегда прикладывается
обратное напряжение, которое запирает
переход затвор-канал. Степень легирования
p-областей
затвора обычно гораздо выше, чем степень
легирования n-
области канала, поэтому при запирании
p-n
перехода затвор-канал его область
объёмного заряда распространяется
преимущественно в сторону канала. Так
как область объёмного заряда обеднена
носителями, то она имеет высокое
сопротивление. Поэтому расширяясь,
область объёмного заряда, уменьшает
толщину канала и увеличивает его
сопротивление. Таким образом, изменяя
,
можно изменять сопротивление канала,
а следовательно и ток через него.
Стоковая характеристика – выходная вах
При
область объёмного заряда имеет минимальную
равновесную толщину, то есть ширина
канал максимальна, а сопротивление
канала
- минимально, где
-
длина, z
– толщина, а
- ширина,
- удельное сопротивление.
Рис. 17.4. Стоковая характеристика (I – активный режим, II – насыщение, III – режим пробоя)
Поэтому при
начальном увеличении напряжения
от нуля, ток
растёт быстро, в соответствии с малым
.
Однако при протекании тока
на распределённом сопротивлении канала
возникает падение напряжения, что
вызывает изменение разности потенциалов
между стоком и истоком. Около истока
она равна нулю, а около стока максимальна
и равна напряжению
.
Эта разность потенциалов подзапирает
p-n
переход, расширяя его область объёмного
заряда, то есть сужает канал, причём
неравномерно по длине и в максимальной
степени около стока. Поэтому по мере
роста тока
- сопротивление канала возрастает и
рост тока стока с ростом
замедляется, то есть график
отклоняется от прямой линии, определяемой
.
При некотором
напряжении
,
называемом напряжением отсечки, области
объёмного заряда p-n
переходов почти смыкаются около стока.
При этом дифференциальное сопротивление
канала резко возрастает, рост тока
- почти прекращается, транзистор
оказывается в так называемом режиме
насыщения тока
.
На этом участке увеличение
приводит лишь к увеличению протяжённости
области объёмного заряда p-n
переходов, то есть к росту сопротивления
канала, поэтому
растёт очень медленно.
При дальнейшем увеличении (10÷30 В) – пробой области p-n перехода около стока, так как в этом месте напряженность электрического поля максимальна и ток резко возрастает. Ток пробоя протекает по цепи сток-затвор-исток. Так как транзистор – кремниевый, то пробой носит обратимый лавинный характер.
При подаче на
затвор отрицательного управляющего
напряжения
это напряжение уже при
расширяет область объёмного заряда
перехода затвор – канал, причём равномерно
по всей длине канала.
Рис.17.5. Структура транзистора при отрицательном .
Поэтому начальное
сопротивление канала повышено,
- растёт медленно с ростом напряжения
.
Смыкание канала и насыщение тока стока
наблюдается при меньшем
.
Так как канал сужает и напряжение
,
и
,
то пробой транзистора наблюдается при
меньшем напряжении
.
При
области объёмного заряда p-n
переходов перекрываются и при любом
напряжении
через транзистор протекает лишь малый
ток утечки – транзистор закрыт.
Таким образом, с увеличением управляющего отрицательного напряжения стоковые характеристики смещаются вниз, поэтому говорят, что полевой транзистор с управляющим p-n переходом работает в режиме обеднения канала подвижными носителями.