5.1.2 Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

5.1.2.1 Устройство и принцип действия

Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом могут быть изготовлены на основе кристалла полупроводника n- или p-типа.

Упрощенная структура кристалла полевого транзистора с управляющим p-n- переходом, изготовленного на основе полупроводника n-типа, показана на рисунке 5.1. Транзистор состоит из области n-типа и двух областей p-типа. Области p-типа электрически соединяются вместе и образуют затвор.

Рисунок 5.1 – структура полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

На границах раздела полупроводников n- и p-типа образуются обедненные слои (или области пространственного заряда (ОПЗ), поскольку в них присутствует нескомпенсированный заряд ионов примесей), обладающие высоким сопротивлением. Канал представляет собой часть полупроводниковой области n-типа, заключенную между p-n-переходами. Если к каналу подсоединить внешний источник постоянного напряжения, в канале создается продольное электрическое поле, под действием которого электроны в канале перемещаются в сторону положительного полюса источника.

Движение основных носителей заряда в канале за счет напряжения на стоке относительно истока U_СИ обусловливает прохождение тока в канале и в цепи стока I_С.

На затвор относительно истока подается напряжение U_ЗИ, смещающее p-n переходы затвор – канал в обратном направлении. При увеличении напряжения источника U_ЗИ обратное напряжение на p-n-переходах увеличивается, запирающие слои расширяются, уменьшая сечение канала. При этом электропроводность канала и проходящий через него ток уменьшаются. Таким образом, изменяя напряжение на затворе, можно управлять током, проходящим через канал полевого транзистора. При некотором напряжении на затворе может произойти смыкание областей объемного заряда, т. е. канал перекрывается. Напряжение на затворе (при U_ЗИ = 0), при котором канал перекрывается, называется напряжением отсечки и обозначается U_{ЗИ отс}.

эффективное управление сечением канала происходит в том случае, если запирающий слой p-n перехода располагается в основном в полупроводнике n-типа. Это достигается выбором концентрации доноров и акцепторов таким образом, чтобы выполнялось условие N_А >> N_Д. На высокую концентрацию акцепторов указывает знак «+» в обозначении p-области (p⁺).

Когда U_СИ не равно 0, в канале протекает ток стока I_С. Если выбрать сечение канала на расстоянии x от истока, то падение напряжения на этом участке U(x) будет пропорционально сопротивлению участка канала и току I_С. В сечении x напряжение на управляющем p-n-переходе складывается из напряжений U_ЗИ и U(x).

Напряжение U(x) при изменении x от 0 до l (l – длина канала) изменяется от 0 до U_СИ. По этой причине ширина запирающего слоя увеличивается, а сечение канала уменьшается при приближении к стоку (рисунок 5.1).

Таким образом, ширина канала, определяющая его сопротивление, и ток стока I_С зависят от напряжений U_ЗИ и U_СИ. если начиная c некоторой точки x сумма напряжений U_ЗИ и U(x) будет равна, а затем превысит напряжение U_{ЗИ отс}, произойдет перекрытие канала. В действительности полного перекрытия канала путем увеличения напряжения U_СИ получить нельзя, поскольку само перекрытие является следствием прохождения тока стока. В результате автоматически устанавливается некоторая малая ширина канала.

На рисунке 5.2 показано условное графические обозначения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и схема включения с общим истоком.

а) б)

в)

Рисунок 5.2 –Условные графические обозначения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом (а – с каналом n-типа, б – с каналом p-типа) и схема включения с общим истоком (в)