4.1.2. Принцип работы птуп

Как и в случае с биполярными транзисторами, для работы полевого транзистора в том или ином режиме необходимо подключить к его контактам определенные постоянные напряжения.

Для дальнейшего анализа следует особо подчеркнуть необходимость выбора полярности питающих напряжений, подключаемых к контактам И, С, З. В частности, полярность внешних постоянных напряжений, подводимых к транзистору, в режимах усиления класса А (без искажения входного сигнала) показана на рис. 4.1, а, г.

Во-первых, управляющее (входное) напряжение U_зи подается между затвором З и истоком И. Эффективность управления зависит от того, насколько чувствительна величина проводимости канала к изменению потенциала затвора. Дальнейший анализ показывает, что для эффективного управления током канала потенциал затвора _зи должен смещать p-n-переход на границе затвор-канал в обратном направлении (смещении). В нашем случае (рис. 4.1, а, г)_з должен быть отрицательным!

Если затворов  два (рис. 4.1, а), то отрицательный потенциал объединенных затворов _з (по отношению к истоку) является обратным для обоих p-n-переходов.

Увеличим значение отрицательного потенциала _з. Известно (см. п. 1.2.3), что увеличение обратного напряжения увеличивает ширину области l(U) объемного заряда, и, в нашем случае, из-за различия в степени легирования, высокоомная область p-n-перехода, обедненная носителями (концентрация основных носителей мала), еще больше прорастает в область n-канала. Эффективное сечение канала (U_зи) (ширина канала) уменьшается, и, в соответствии с выражением (1.2), за счет уменьшения площади поперечного сечения S электрическое сопротивление R_n n-канала растет. Тем самым, за счет модуляции величины проводимости канала создается препятствие для прохождения основных носителей заряда от истока к стоку.

Другими словами, поскольку р⁺-область, примыкающая к затвору, имеет большую концентрацию примеси, чем n-канал, ширина l(U_зи) p-n-переходов растет, в основном, за счет уменьшения толщины (U_зи) более высокоомного n-слоя канала. Это явление носит название - эффект модуляции ширины канала, который приводит к изменению величины его проводимости.

Именно поэтому, в рассматриваемой нами схеме на затвор З подается отрицательный потенциал по отношению к истоку.

Во-вторых, ток I_с через канал (и далее через нагрузку R_н) определяется напряжением U_си. Заземлим исток И, и покажем, какой потенциал следует подавать на электрод С стока. Казалось бы, на сток С можно подавать как +, так и , однако, анализ структуры показывает, что в данном случае подавать  на сток нельзя! Это связано с тем, что при отрицательном потенциале на стоке собственно p-n-переход, локализованный в области структуры стокзатвор, включится в прямом направлении, и при соответствующих напряжениях разрушится из-за протекания большого тока через открытый p-n-переход.

Именно поэтому, на сток С по отношению к истоку И необходимо подавать потенциал требуемой полярности с учетом конкретного типа проводимости канала.

Можно использовать простое мнемоническое правило, согласно которому, на сток нужно подавать такой потенциал, который притягивает к стоку основные носители канала. В рассматриваемом нами случае необходимо подавать только + потенциал!

Из вышесказанного следуют важные выводы. Управляющие свойства полевого транзистора объясняются тем, что при изменении напряжения U_зи между затвором и истоком меняется ширина l(U_зи) его двух (или одного) p-n-переходов, представляющих собой протяженные граничные участки полупроводника (от истока к стоку) между областями p- (под контактом металлического затвора З) и n-типа (область проводящего канала).

Если p-n-переход смещен в обратном направлении, и, значит, в нем мало свободных носителей заряда. Увеличение напряжения U_зи приводит к увеличению ширины l(U_зи) области p-n-перехода, и еще большему сдвигу p-n-перехода в область канала из-за различной степени легирования канала и области затвора.

Особо следует подчеркнуть то обстоятельство, что p-n-переход, смещенный в обратном направлении, не только имеет большое сопротивление, но и характеризуется увеличением ширины l(U_зи) области объемного заряда. При этом область p-n-перехода внедряется в сторону того полупроводника, который, как указано выше, имеет меньшую степень легирования. В нашем случае, область объемного заряда (обедненная носителями заряда) внедряется в область канала!

Поскольку объем кристалла ограничен, то, в конечном счете, при увеличении области p-n-перехода ширина канала (U_зи) уменьшается. Другими словами, в результате прорастания области р-n-перехода в объем канала изменяется площадь поперечного сечения S токопроводящего канала. Проводимость канала постепенно падает (а сопротивление растет), влияя на выходной ток I_с стока прибора при фиксированном напряжении U_си между стоком и истоком.

Это важное обстоятельство следует понять, т.к. именно оно объясняет работу всех полевых транзисторов!

Для анализа работы полевого транзистора также важно понять, что объем слаболегированной области канала, характеризуемый вполне определенным резистивным сопротивлением, может быть представлен схемой замещения в виде соединенных последовательно совокупности идентичных резисторов R_i (рис. 4.1, а), ответственных, например, за сопротивление единицы длины канала.

Ниже будет показано, что особенностью полевого транзистора является влияние на проводимость канала как управляющего напряжения U_зи, так и напряжения U_си. Влияние подводимых напряжений на проводимость канала иллюстрирует рис. 4.2.

а) б) в)

Рис. 4.2. Проводимость ПТУП с каналом n-типа при подключении внешних напряжений: а) U_зи  0, U_си = 0; б) U_си  0, U_зи = 0; в) U_си  0, U_зи  0

Напряжение между стоком и истоком отсутствует

Для упрощения считаем, что контакт истока И заземлен. Пусть напряжение U_зи приложено только между истоком И и затвором З (рис. 4.1, а), так что _з  0, а U_си = 0. Будем увеличивать U_зи так, что _з становится все более отрицательным. Сопротивление канала монотонно возрастает (а проводимость  падает) за счет расширения обратно смещенного р-n-перехода и прорастания его в область слаболегированного канала. Соответственно, уменьшается сечение (U_зи) канала на одинаковую величину по всей длине d канала. Выходной ток, естественно, отсутствует (I_с = 0), поскольку напряжение на стоке равно нулю U_си = 0.

Таким образом, мы показали, что изменением напряжения U_зи на затворе можно модулировать (изменять) сопротивление канала. Поскольку ширина p-n-перехода играет большую роль, то этот переход называют управляющим.

Напряжение между истоком и стоком присутствует

Для упрощения считаем, что контакт истока И заземлен.

Приложим напряжение только между контактами стока С и истока И (рис. 4.1, б) так, что U_си  0, а U_зи = 0 при объединенных затворе и истоке, т.е. _и = _з = 0. По мере увеличения напряжения U_си при малых напряжениях на стоке через объем n-канала протекает ток стока I_с (электроны дрейфуют вправо, но ток направлен влево). Падение напряжения U_си на длине d канала полупроводника (замещаемого последовательно соединенными резисторами R_i) создает такое распределение потенциалов (R_i), что потенциалы точек объема канала являются неодинаковыми по его длине, возрастая от нуля на истоке _и = 0 до _с = U_си на стоке.

Рассмотрим следствие подобной неэквипотенциальности различных точек области канала. Допустим, на стоке _с = 10 В, а _з = 0 B. Тогда разность потенциалов между точками канала с потенциалом (R_i) и контактом затвора З равна:

 в области контакта И истока:(R_i)  _з = 0;

 в середине канала: (R_i)  _з = +5 В;

 в области контакта С стока: (R_i)  _з = +10 В.

Заметим, что по всей длине в различных точках n-канала имеются положительные потенциалы (R_i). Но поскольку каждая точка n-канала отделена от p⁺-области протяженным p-n-переходом, и так как потенциал затвора З  нулевой, то эти потенциалы (R_i) смещают p-n-переход в обратном направлении. Этими обратными потенциалами, приложенными к протяженному p-n-переходу, обедненная область p-n-перехода везде расширяется, прорастая в канал. Но поскольку на контакте стока (R_c)  _зи = _с  _и = +10 В, то именно у контакта С область p-n-перехода расширена в наибольшей степени, а, значит, канал максимально сужен. Следовательно, по мере увеличения напряжения на стоке ширина канала уменьшается (U_зи)  0 (S  0; R_n  ), вплоть до закрытия (перекрытия, смыкания) канала.

Подчеркнем, что канал сужается везде (от истока к стоку), но максимальное сужение реализуется именно там, где существует наибольшее обратное напряжение между контактами сток-затвор, а именно, у стока! По мере увеличения напряжения U_си происходит расширение области p-n-перехода и сужение проводящего n-канала. Например, если управляющих переходов два (рис. 4.2, б), то при определенных напряжениях U_си границы обоих p-n-переходов, приближаясь друг к другу, смыкаются, при этом (U_зи) = 0, а сопротивление R_n перекрытого канала становится наиболее высоким.

Напряжения U_си и U_зи присутствуют одновременно

На рис. 4.2, в показано результирующее влияние одновременного действия на канал обоих напряжений U_си и U_зи при U_си  0, U_зи  0. В отличие от предыдущего случая (рис. 4.2, б) отрицательный потенциал контакта затвора (по отношению к истоку) еще в большей степени закрывает управляющий p-n-переход по всей длине канала. Обедненная область еще в большей степени прорастает в канал так, что он перекрывается не только у стока, но и всей правой части полупроводника, примыкающей к стоку.