Задание 2.

Начертить структурное устройство и схему включения с общим истоком полевого транзистора с управляющим p-n переходом и n-каналом. Объяснить назначение электродов и и принцип действия транзистора; привести семейство выходных характеристик.

Ответ:

Структурная схема полевого транзистора с управляющим p-n переходом (n - типа) (рис.4).

Рис.4 Структурная схема полевого транзистора

с управляющим p-n переходом (n - типа)

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом выполнен в виде пластины из полупроводника n-или p-типа. На гранях этой пластины созданы области p-типа электропроводности (З) и в результате образуются p-n переходы, а контакты областей З соединены между собой. Объём пластины, расположенный между p-n переходом является каналом полевого транзистора. Если приложить к затвору отрицательное напряжение, то происходит обеднение электронами (основные носители) участков канала, примыкающих к затвору, ширина p-n перехода возрастает и увеличивается его сопротивление. Таким образом происходит управление сопротивлением канала. В том случае, если канал

полевого транзистора p-типа, то при подаче положительного напряжения между затвором и истоком p-n переход расширяется и уменьшается толщина канала и, следовательно, увеличивает его сопротивление.

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом (канал n-типа) оказывается запертым ( =0) при обратном напряжении, которое называется напряжением отсечки . В этом случае p-n переходы смыкаются и ток через канал не проходит.

Режим, когда называется режимом насыщения и рост тока прекращается при увеличении .

Стоковые (выходные) характеристики:

Семейство (серия) стоковых (выходных) характеристик полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа показано на рис. 5. Каждая из характеристик отражает зависимость I_с(U_си)|_Uзи=const тока стока от напряжения "сток – исток" при фиксированном напряжении "затвор – исток".

Рис. 5 Семейства стоковых (выходных) характеристик

ПТУП с каналом n-типа

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 (сходcтво) данной характеристики с выходной характеристикой биполярного транзистора с 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 напряжениях U_си.нас, соответствующих переходу из области I в область II (рис. 5, точка 2) сечение  токопроводящего канала уменьшается до минимума в результате ²прорастания² p-n-перехода в канал. Дальнейшее увеличение напряжения U_си приводит к прекращению роста тока I_с, так как одновременно 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 в p-n-переходах, прилегающих к каналу.

Величина напряжения U_си.нас, при которой канал перекрывается, зависит от величины U_зи, так что геометрическое место точек, связанных с этим напряжением, описывается пунктирной кривой на рис. 5.

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

Конструкция МДП - транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис. 6, а. Канал проводимости, обеспечивающий протекание тока за счет движения носителей заряда от истока к стоку, в данной структуре изначально (на заводе) не создается. В связи с этим, обратим внимание, что области истока и стока отделены от подложки p-типа и друг от друга изолирующим слоем p-n-переходов. Другими словами, исток и сток гальванически сейчас не связаны. Очевидно, что приложение напряжения между контактами стока С и истока И не вызовет появления тока стока ввиду отсутствия канала проводимости.

а) б)

Рис. 6. Конструкция планарного МOП-транзистора с индуцированным n-каналом (а), семейства его стоковых (б)

Для того, чтобы электроны имели возможность переходить от истока к стоку, необходимо искусственно создать (индуцировать) канал длиной d c проводимостью n-типа, в котором электроны являются основными носителями. Эта возможность может быть реализована за счет так называемого эффекта поля, который заключается в следующем.

Подадим положительный потенциал _з на металлический контакт затвора З, так что нем появится положительный заряд.

В подложке р-типа имеются основные носители – дырки, а также – неосновные носители – электроны.

Электрическое поле положительного заряда затвора за счет явления электростатической индукции (через слой диэлектрика) силами кулоновского взаимодействия подтягивает электроны из объема подложки под слой окисла, отделяющий металлический контакт З от полупроводника. Это же поле отталкивает из-под слоя окисла дырки, заставляя их дрейфовать вглубь р-подложки.

Если подтянувшихся к поверхности электронов будет достаточное количество, то приповерхностный слой полупроводника (под диэлектриком) не только обогатится электронами, но даже изменит тип проводимости: под пленкой окисла образуется канал n-типа.

Другими словами, n-канал образуется (индуцируется) при определенном ²+² потенциале затвора благодаря притягиванию электронов из полупроводниковой подложки р-типа. За счет подтягивания электронов под слоем окисла (под контактом затвора) в приповерхностном слое полупроводника происходит изменение знака проводимости этого приповерхностного слоя. Таким образом, индуцируется токопроводящий канал n-типа длиной d.

Проводимость образовавшегося канала n-типа возрастает по мере повышения приложенного к затвору напряжения положительной полярности, т.к. все больше и больше электронов подтягивается² под слой диэлектрика.

Входной ток от затвора в транзистор (через слой окисла) отсутствует, т.к. диэлектрик SiO₂ имеет очень большое сопротивление.

Схема с общим истоком на транзисторе КП304А представлена на рис.7

Рис.7. Схема с общим истоком на транзисторе КП304А

Принцип построения схемы аналогичен схеме усилителя на биполярном транзисторе включенном с общим эмиттером. Резистор R_С аналогичен R_К, цепочка автоматического смещения выполняет функцию резистораьR_Бьилиделителя. В данной схеме R_И,R_З и С_И образуют цепочку автоматического смещения. На R_И происходит падение напряжения обусловленное током стока, которое передается на затвор через резистор R_З, и определяет положение рабочей точки, т.е. режим работы транзистора по постоянному току. С_И шунтирует R_И в режиме переменного тока, не нарушая тем самым положение точки покоя определенное в режиме по постоянному току.