40.4 Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом.
Такие транзисторы в сочетании с биполярными изготавливаются в одном кристалле с ними. Рассмотрим конструкцию полевого транзистора с управляющим p-n переходом (канал n-типа) – рис. 1.Такая конструкция совместима с технологией биполярного n+-p-n транзистора.
Рис. 2 Структура (а-в) и выходные характеристики (г) ПТУП с каналом n-типа:
1- крутая линейная область; 2 – граница перекрытия канала;
3- пологая область насыщения; 4 – область пробоя
Области канала n-типа и высоколегированные области n+ и p+ получены диффузией примесей. Участок управляемой проводимости или канал, находящийся между стоком и истоком, располагается под областью затвора. Подложку рассматривают как самостоятельный электрод. В структуре ПТУП n- типа можно указать следующие переходы затвор-исток, затвор-сток, подложка-исток, подложка-сток. Все переходы должны быть смещены в обратном направлении, откуда следует, что напряжение на затворе относительно истока должно быть отрицательным, а напряжение на стоке относительно истока – положительным. В дискретных ПТУП подложка, как правило, технологически соед с верхним низкоомным затвором, а интегральных полупроводниковых микросхемах – с точкой, имеющий наименьший потенциал, поскольку является общей частью и для остальной схемы.
Для ПТУП с каналом р-типа знаки напряжений на внешних электродах необходимо заменить на противоположные, а подложку соединить с точкой, имеющей наибольший потенциал. Таким образом, наличие разнополярных напряжений–существенный недостаток схем с ПТУП.
Принцип действ ПТУП и каналом n-типа показан на рис. 2.
Поскольку потенциалы на электродах транзистора измеряются относительно истока, будем считать его заземленным. При нулевых напряжениях на затворе и стоке ток через канал не проходит. Толщины обедненных слоев (областей пространственных зарядов) в этом случае минимальны и определяются контактной разностью потенциалов между р- и n- областями. Если на затвор транзистора подается отрицательное напряжение, то обедненный слой проникает вглубь канала, сужая сечение той его части, в которой находятся свободные носители заряда. И хотя физические размеры структуры остаются неизменными, сечение проводящей части канала регулируется напряжением, приложенным к затвору. Таким образом, изменяя уровень отрицательного напряжения на затворе, можно управлять проводимостью канала между его стоком и истоком. Максимальная проводимость достигается при напряжении Uзи=0, т.к. в этом случае сечение проводящей части канала максимально.
При некотором значении напряжения на затворе обедненный слой проникает на всю толщу канала, полностью перекрывая его, что приводит к падению проводимости до нуля. Напряжение Uзи, при котором наступает этот эффект, называется напряжением отсечки и обозначается Uотс. Проводимость канала остается равной нулю, если UзиUотс. Поскольку выражение «полностью перекрытый канал» не содержит в тебе количественного критерия, Uотс условно определяется как напряжение на затворе (при заданном напряжении Uси, при котором ток стока имеет определенное значение – обычно 1 или 10 мкА). При приложении положительного напряжения к стоку и при Uзи=0 по каналу потечет ток, обусловленный основными носителями заряда .
Ток стока Iс сначала растет пропорционально росту напряжения Uси. На выходных характеристиках (рис. 2,г) этому случаю соответствует «линейная» область. Когда напряжение Uси по величине сравнимо или больше напряжения Uотс, выходные характеристики становятся нелинейными. Это объясняется тем, что напряжение Uси увеличивает разность потенциалов между каналом и затвором, что в свою очередь увеличивает толщины обедненных слоев. Толщина обедненных слоев максимальна у стока и минимальна у истока. При некотором напряжении на стоке обедненные слои смыкаются вблизи него и в результате наступает момент, называемый перекрытием канала (рис. 2, б). дальнейшее увеличение напряжения Uси не приводит к росту тока Iс, а лишь увеличивает напряженность поля в обедненном слое. Точка смыкания обеднен слоев смещ в сторону истока
В узкой проводящ области вблизи стока плотность тока и эл поле велики; явл переноса носителей подобны инжекции носителей эмиттером биполярного транзистора в обедненную область обратносмещ коллекторного перехода. Перекрыт канала при некотором Uси приводит не к отсечке тока, а лишь к отсечке его приращений, это напряж наз напряж насыщения Uнас (при Uзи=0)
После наступления насыщения ток Iс не зависит от напряжения Uси, но остается зависимым от напряжения Uзи. При одновременном приложении напряжений затвора и стока насыщение тока стока наступает при различных напряжениях на стоке: чем больше запирающее напряжение, тем меньше напряжение на стоке, соответствующее насыщению тока Ic. На рис. 2, г можно выделить три области: (крутую) «линейную», (пологую) насыщения и область пробоя, в которой ток Iс резко возрастает при небольших увеличениях напряжения Uси.
При увелич напряжения Uзи может произойти пробой соответствперехода, однако он не выводит транзистор из строя, если мощность рассеяния на нем не будет превышать макс допустимую. После возвращения в норм рабочий режим транзистор восстанавл свою работ-сть. Это свойство ПТУП дает им большое преимущество перед транзисторами МДП-типа, т.к. у последних возникновение пробоя в цепи затвора приводит к выходу их из строя.
При + напряжения Uзи ток Iс увеличивается незначительно, т.к. изменение смещения в прямом направлении несущ влияет на ширину обедненного слоя. Если переход смещен в прямом направлении, то для работы транзистора треб большой ток затвора Iз. При отрицательном напряжении Uзи входное сопротивление Rвх составляет величины порядка 100–100 МОм. ПТУП находят прим в усилительных каскадах в сочетании с бипол тран-ми, т.к. бипол тран-р им высокую крутизну передаточ хар-ки, но низким входным сопр-ем по сравнению с полевыми тран-ми