5.1.2.2 Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Статические выходные (стоковые) характеристики. Семейство стоковых характеристик полевого транзистора, выражающих зависимость I_С = f (U_СИ) при U_ЗИ = const, изображено на рисунке 5.3. Рассмотрим стоковую характеристику, снятую при U_ЗИ = 0.

Если бы сопротивление канала не зависело от проходящего через него тока стока I_С, ток I_С был бы связан с напряжением U_СИ линейной зависимостью. Но ток I_С создает на сопротивлении канала падение напряжения U(x), увеличивающее области объемного заряда переходов. Вследствие этого увеличение напряжения U_СИ сопровождается уменьшением площади сечения канала и увеличением его сопротивления, что приводит к замедлению роста тока I_С. При некотором напряжении на стоке, обозначаемом U_{СИ нас} и называемом напряжением насыщения канал в области стока перекрывается. это происходит при |U_{СИ нас}| = |U_{ЗИ отс}|. Ток стока, при котором перекрывается канал, называют начальным и обозначают I_{С нач}. Если к затвору полевого транзистора приложить напряжение U_ЗИ, смещающее p-n-переход в обратном направлении, то перекрытие канала наступит при меньшем значении напряжения U_СИ. Это объясняется тем, что к p-n переходу между затвором и стоком прикладывается обратное напряжение, равное |U_ЗИ| + |U_СИ|. Смыкание переходов произойдет при условии равенства этого суммарного напряжения напряжению отсечки:

|U^'_{СИ нас}| + |U^'_ЗИ| = |U_{ЗИ отс}| = |U_{СИ нас}|. (1)

Учитывая, что в полевых транзисторах с каналом n-типа U_СИ > 0, а U_ЗИ < 0 и U_{ЗИ отс} < 0, из уравнения (1) получаем

|U^'_{СИ нас}| = |U_{СИ нас}| – |U^'_ЗИ|. (2)

I_{Cнач - - - - - - - -}

Рисунок 5.3 – Семейство выходных (стоковых) характеристик полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Область стоковых характеристик, соответствующая напряжениям 0 < U_СИ < U_{СИ нас}, называется крутой или омической. Последнее название связано с тем, что дифференциальное сопротивление канала полевого транзистора в данной области определяется напряжением на затворе. Вследствие этого полевые транзисторы широко используются в качестве переменных резисторов, управляемых электрическим способом.

Участки стоковых характеристик, снятые при U_СИ > U_{СИ нас}, соответствуют перекрытию канала (или насыщению). При напряжении U_СИ, большем напряжения перекрытия, увеличиваются длина перекрытой части канала и его сопротивление. Если бы длина перекрытой части канала линейно зависела от напряжения U_СИ, то с его ростом пропорционально увеличивалось бы сопротивление канала, а проходящий через него ток стока оставался постоянным. На самом деле длина перекрытой части канала зависит от напряжения U_СИ так же, как глубина проникновения области объемного заряда δ в канал, определяемая формулой

. (3)

Согласно уравнению (3), длина перекрытой части канала и его сопротивление пропорциональны и увеличиваются с ростом напряжения U_СИ более медленно. Поэтому в области перекрытия канала увеличение напряжения U_СИ сопровождается небольшим возрастанием тока стока.

Стоковые характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-перехо­дом могут быть достаточно точно представлены аналитической зависимостью тока I_С от напряжений U_ЗИ, U_СИ и U_{ЗИ отс}:

для крутой области

; (4)

для пологой области

. (5)

Начальный ток стока I_{С нач} и напряжение отсечки U_{ЗИ отс} определяются размерами канала (L и b) и физическими параметрами полупроводникового кристалла (подвижностью основных носителей, диэлектрической проницаемостью), а также законом распределения примесей в канале.

Статические характеристики передачи. Статическая вольт-амперная характеристика передачи, называемая также стокозатворной, проходной или характеристикой управления полевого транзистора, отображает зависимость I_С = f (U_ЗИ) при U_СИ = const в режиме перекрытия канала. Следовательно, эта характеристика описывается уравнением (5). Семейство характеристик передачи изображено на рисунке 5.4. Вид характеристики показывает, что при увеличении напряжения U_ЗИ, смещающего p-n-переход в обратном направлении, ток стока уменьшается, а при U_ЗИ = U_{ЗИ отс} ток стока становится равным нулю. Таким образом характеристика передачи полевого транзистора может быть использована для определения напряжения отсечки.

U_ЗИотс

Рисунок 5.4 – семейство передаточных (стокозатворных) характеристик полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

5.1.3 МОП-транзисторы с индуцированным каналом