5.1.1. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

В полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом область затвора отделена от объема канала p-n-переходом. Модель ПТУП и его планарная структура приведены на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Модель конструкции ПТУП (а), его УГО с каналом n-типа (б), с каналом p-типа (в), примерная планарная структура (г)

Между электродом (контактов) истока (И) и контактом стока (С) имеется канал протекания тока (далее, просто, канал), по которому двигаются свободные носители заряда. Обычно, носители заряда (электроны или дырки) начинают двигаться от истока к стоку.

В приведенной модели (а) конструкции канал представляет собой слаболегированный слой полупроводника n-типа, длина d которого простирается от контакта истока И к контакту стока С. Данный канал может быть ограничен (″сбоку″) двумя p-n-переходами (рис. 1, а) или соприкасаться с одним p-n-переходом (рис. 5.1, г).

Контакт, называемый затвором З, устанавливается на области полупроводника с типом проводимости, противоположным типу проводимости области канала; другими словами, непосредственно под металлическим контактом затвора в данном случае находится область полупроводника p-типа.

P-n-переход, образуемый между каналом и областью, примыкающей к металлическому затвору, всегда должен быть смещен в обратном направлении. Закрытый р-n-переход является своего рода высокоомной диэлектрической прослойкой, отделяющей электропроводящий канал от металлического контакта затвора.

В модели, приведенной на рис. 5.1, а, для простоты анализа сформированы два симметричных затвора З, объединенных между собой внешним проводником, т.е. оба контакта затвора, а, значит, и области полупроводника р-типа, электрически связаны между собой.

Управление полевыми транзисторами осуществляется изменением управляющего напряжения U_зи между контактами истока и затвора.

Таким образом, в ПТУП существуют (создается):

 канал проводимости (длиной d), обеспечивающий перемещение свободных носителей заряда (электронов или дырок) от истока к стоку;

 протяженные области p-n-переходов, отделяющие затвор от канала.

Поскольку n-канал – менее легирован, то собственно p-n-переход на границе затвор-канал смещен в область канала.

Подобную же конструкцию имеют и полевые транзисторы с каналом p-типа.

Условные графические изображения полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом и каналами n- и p-типа приведены на рис. 5.1, б, в, соответственно.

Как и в случае с биполярными транзисторами, для работы полевого транзистора в том или ином режиме необходимо подключить к его контактам (И, З, С) 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. 5.1, а, г.

Дальнейший анализ показывает, что для эффективного управления током канала необходимо подавать:

– на сток потенциал, который будет притягивать основные носители канала;

– на затвор потенциал, который смещает p-n-переход на границе затвор-канал в обратном направлении (смещении).

В нашем случае (рис. 5.1, а, г)_з должен быть отрицательным, _с – положительным по отношению к истоку.

Увеличим значение отрицательного потенциала _з. Известно, 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, 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.

а) б)

Рис. 5.3. Стоковые (а) и стоко-затворные характеристики (б) ПТУП с каналом n-типа

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 (в особенности, в области контакта стока), включится в прямом направлении, и при соответствующих напряжениях транзистор ″сгорит″ из-за протекания большого тока через открытый p-n-переход.

Полевые транзисторы характеризуются стоковой и стоко-затворной характеристиками.

Серия стоковых (выходных) характеристик I_с(U_си)|_Uзи=const снимается при фиксированных значения напряжения U_зи между затвором и истоком. Семейство стоковых (выходных) характеристик I_с(U_си)|_Uзи=const ПТУП и каналом n-типа показано на рис. 5.3, а.

Отличительной особенностью стоковых характеристик полевых транзисторов является практически линейная зависимость I_с(U_си)|_Uзи=const тока от напряжения на начальном участке характеристики (участок 0–1), соответствующей U_зи = 0. На этом участке наклон характеристики, определяемый как dI_с/dU_си, является постоянной величиной и физически характеризует дифференциальную проводимость открытого транзистора. Это отражает идентичность (сходство) данной характеристики с выходной характеристикой биполярного транзистора в схеме ОЭ.

При дальнейшем увеличении напряжения U_си (участок между точками 1–2) нарастание тока уже не пропорционально напряжению (наклон dI_с/dU_си уменьшается) из-за сужения токопроводящего канала.

При токах I_{си нас} и напряжениях U_си.нас, соответствующих переходу из области I в область II (рис. 5.3, точка 2), сечение  токопроводящего канала уменьшается до минимума в результате прорастания p-n-перехода в канал. Увеличение U_си приводит к прекращению роста тока I_с, так как с ростом напряжения U_си увеличивается сопротивление канала из-за его перекрывания. Некоторое увеличение тока I_с (на участке 2-3) объясняется наличием различного рода утечек и влиянием на проводимость (на концентрацию носителей) сильного электрического поля, лавинного умножения носителей в p-n-переходах, прилегающих к каналу, в особенности, в области стока.

Заметим, что величина U_си.нас, при которой канал перекрывается, зависит от величины U_зи, так что геометрическое место точек, связанных с этим напряжением, описывается пунктирной кривой OABCD на рис. 5.3, а.

Резкое увеличение тока I_с (например, в точке 3, участок III) при больших напряжениях U_си связано с лавинным пробоем области p-n-переходов (в областях стока-затвора и сток- подложка) вблизи контакта стока.

Стоко-затворная характеристика полевого транзистора описывает зависимость I_с(U_зи)|_{Uси =const} (рис. 5.3, б) при фиксированном напряжении U_си между стоком и истоком.

При фиксированном напряжении на стоке, например, U_си = 10 В, можно, изменяя U_зи, управлять величиной тока стока I_с от максимального значения тока I_сmax (при U_зи = 0) вплоть до I_с = 0 (при U_зи = U_зи.отс < 0). Напряжение U_зи, при котором ток стока становится равным нулю, называют напряжением отсечки U_зи.отс.

Параметром полевого транзистора, определяемым по стоко-затворной характеристике, является крутизна S характеристики:

S = dI_c/dU_зи|_Uси=const, мА/В, (5.1)

которая отражает связь выходного тока I_с полевого транзистора с входным напряжением U_зи; обычно значение S определяется при U_зи = 0 и |U_си| = 7 В.

К другим основным параметрам полевого транзистора относятся:

 внутреннее (выходное) сопротивление полевого транзистора, равное

r_i = dU_cи/dI_c|_Uзи=const, (5.2)

и характеризуемое наклоном стоковой (выходной) характеристики на участке II (рис. 5.3, а); значение r_i относительно мало;

 входное сопротивление, равное

r_вх = dU_зи/dI_з, (5.3)

определяется сопротивлением одного (или двух) p-n-переходов между затвором и каналом, смещенных в обратном направлении.

Величина входного сопротивления R_вх (по постоянному току) подобных полевых транзисторов составляет 10⁸… 10⁹ Ом. Вследствие этого входной ток затвора I_з в статическом режиме можно считать равным нулю;

– максимально допустимый ток стока I_{c max};

– максимально допустимое напряжение стока U_{си max};

 напряжение отсечки U_зи.отс;

– межэлектродные емкости "затвор – исток" С_зи, "затвор – сток" С_зс и "сток – исток" С_си.