9.2. Канальный транзистор с управляющим p-n переходом

9.2.1. Структура и принцип действия

Для пояснения принципа действия полевого канального транзистора рассмотрим структуру с прямоугольной конфигурацией канала (рисунок 9.1, а). Структура представляет собой полупроводниковый параллелепипед из полупроводника p- или n-типа проводимости, имеющий два омических контакта, один из которых называется истоком, а второй – стоком, и два p-n перехода, ограничивающих площадь сечения проводящего канала. Через исток основные носители заряда входят в канал, а через сток – выходят. Далее для определенности будем рассматривать p-канальный транзистор. В этом случае с двух противоположных сторон полупроводникового стержня перпендикулярно направлению тока расположены n⁺-p переходы. Область полупроводника, заключенная между n⁺-p переходами, называется каналом, имеющим толщину H_K, ширину W_K и длину L_K (рисунок 9.1, а). Следует отметить, что в подавляющем большинстве случаев ширина канала значительно больше длины канала, W_K >> L_K, а толщина H_K <<L_K.

Принцип действия канального транзистора основан на стационарном эффекте поля в полупроводниках, заключающегося в изменении проводимости полупроводника при воздействии перпендикулярного электрического поля. В частности, для транзистора с управляющим p-n переходом используется явление эксклюзии (обеднение) основных носителей заряда полем обратно смещенного затвора. При изменении величины обратного смещения на n⁺-p переходах меняется толщина их ОПЗ и, следовательно, поперечное сечение и сопротивление токопроводящего канала. В первом приближении полевой транзистор представляет собой переменный резистор, управляемый напряжением на n⁺-p переходе, который называется затвором (рисунок 9.1, б).

+

–

U_ЗИ

R_H

U_СИ

+

–

–

+

U_ЗИ

R_H

R_К

U_СИ

+

–

а) б)

Рисунок 9.1 - Структура p-канального полевого транзистора (а) и простейшая эквивалентная схема усилителя с общим истоком (б)

В реальных транзисторах толщина канала настолько мала, что он полностью перекрывается расширяющимся ОПЗ при обратном смещении затвора порядка долей и единиц вольта, значительно меньшем напряжения пробоя сток-исток. Поэтому сопротивление канала меняется от малой величины, определяемой начальной толщиной H_K, до очень большой величины при полностью перекрытом напряжением затвора канале. Модуляция сопротивления канала в цепи стока приведет к синхронному изменению тока в выходной цепи и усилению входного сигнала. Входная мощность сигнала мала из-за малой величины входного тока обратно смещенного p-n перехода (обратный ток), определяемого на переменном сигнале емкостной компонентой тока затвора, и малой величины напряжения перекрытия канала, значительно меньшей рабочего напряжения стока, ограниченного напряжением пробоя стока. Поэтому коэффициент усиления по мощности может превышать 10³. Усилительные свойства полевого транзистора описывает передаточная характеристика, представляющая собой зависимость тока стока от напряжения затвора I_СИ(U_ЗИ). При нулевом напряжении U_ЗИ сопротивление канала мало и через него протекает ток I₀ (рисунок 9.2). Если подать обратное смещение, то ОПЗ затвора расширяется, толщина канала уменьшается, сопротивление канала возрастает, и ток стока уменьшается. При некотором напряжении U_ЗИ ОПЗ затвора полностью перекрывает канал, и ток стока становится практически равным нулю (ток генерации в ОПЗ затвора). Это напряжение носит название напряжения перекрытия. Его можно оценить из условия смыкания толщины канала. Для симметричной структуры и резкого несимметричного затвора (n⁺-p):

. (9.1)

Откуда следует ; (9.2)

где φ_З – контактная разность потенциала затвора (~ 0,7 В для Si).

Приложение небольшого прямого смещения U_ЗИ компенсирует встроенный контактный потенциал и приводит к расширению канала и увеличению тока стока (рисунок 9.2, кривая 1). Однако величина прямого смещения не должна превышать порога открывания p-n перехода в прямом смещении (~ 0,4 В для кремния). При превышении этой величины дифференциальное сопротивление затвора уменьшается, что ведет к резкому возрастанию входного тока. Рассмотренный пример соответствует нормально открытому транзистору. В случае очень тонкого канала , при котором толщина ОПЗ встроенного контактного потенциала перекрывает всю толщину канала, транзистор не проводит ток при нулевом смещении затвора. Поэтому для того, чтобы протекал ток стока, необходимо подать прямое смещение на затвор. Этот случай соответствует нормально закрытому транзистору (рисунок 9.2, кривая 2).

I_CИ

I₀

1

З

С

а)

И

dR_K

+ ΔU –

+ ΔU –

I_C

D1

D5

+

–

U_СИ

U_З(x)

U_пер

I_C2 ≥ I_C.нас

2

I_C1 < I_C.нас

б)

– U_ЗИ 0,4В 0 U_пер U_ЗИ L_K x

Рисунок 9.2 - Передаточная характеристика Рисунок 9.3 - Эквивалентная схема перехода

канального транзистора: 1 – нормально затвор-канал (а) и неравномерное смещение

открытый; 2 – нормально закрытый затвора при протекании тока стока (б)

Крутизна передаточной характеристики при характеризует усилительные свойства транзистора. При подаче на затвор переменного напряжения U_ЗИ в цепи стока возникает переменный ток . Для маломощных дискретных полевых транзисторов g = (1…5) мА/В. Для мощных – g = (0,5…10) А/В.

Выходные характеристики транзистора представляют собой зависимость тока стока I_СИ от разности потенциалов между стоком и истоком U_СИ при фиксированных значениях напряжения затвора U_ЗИ. Рассмотрим вначале случай, когда U_ЗИ = 0. Поскольку канал в исходном положении является омическим сопротивлением, то за счет дрейфа дырок при подаче отрицательного потенциала на сток относительно истока по каналу потечет ток стока I_С, пропорциональный напряжению стока U_СИ. Полярность источника питания на истоке соответствует заряду основных носителей в канале. Таким образом, для p-канального транзистора плюс источника подключается к истоку, а минус – к стоку. Однако протяженность квазиомического участка ВАХ сравнительно невелика, так как одновременно с появлением тока возникает разность потенциалов между затвором и каналом, обусловленная падением напряжения вдоль длины канала (рисунок 9.3). При этом затворные n⁺-p переходы оказываются неравномерно смещены по длине канала в обратном направлении. Область затвора вблизи истока находится при нулевом смещении, а область затвора вблизи стока (диод D5, рисунок 9.3, а) максимально смещены в обратном направлении вплоть до U_пер, если I_С ≥ I_С.нас (рисунок 9.3, б). Неравномерное смещение затвора по длине канала приводит к неравномерной по координате X толщине ОПЗ затвора и, следовательно, площади проводящего канала. Эта двумерная токо-потенциальная обратная связь приводит к нарушению омического характера ВАХ. С ростом тока стока увеличивается сопротивление канала из-за уменьшения площади сечения канала вблизи стока. На вольт-амперной характеристике наблюдается переход от линейной к сублинейной зависимости тока от напряжения (рисунок 9.4, кривая 1). При некотором токе I_С.нас.0 – токе стока насыщения, падение напряжения в канале достигает величины U_пер, при котором ОПЗ затвора перекрывают канал вблизи стока. В этой ситуации дифференциальное сопротивление канала стремится к бесконечности , что соответствует постоянному значению тока при увеличении внешнего напряжения U_СИ. Напряжение стока, соответствующее насыщению тока стока, определяется отсечкой канала, т. е. U_С.нас.0 ≡ U_пер при нулевом смещении затвора. Если к затвору приложено начальное обратное смещение U_ЗИ1, то напряжение стока, соответствующее отсечке канала, будет наблюдаться при меньшем значении (рисунок 9.4, кривая 2), так как затвор вблизи стока (диод D5, рисунок 9.3, а) будет смещен до U_пер ,

U_СЗ = U_D5 = U_З1 + U_С.нас.1 = U_пер .

Причиной насыщения тока стока является токо-потенциальная обратная связь между током стока и внутренним напряжением затвора. Предположим, что при увеличении U_СИ больше U_СИ.нас, ток стока возрастает. Тогда это приведет к увеличению падения напряжения в канале и отсечке канала при меньшем напряжении стока. Следовательно, это предположение неверно. Теперь допустим, что при тех же условиях наблюдается уменьшение тока стока. Тогда падение напряжения в канале уменьшится, ОПЗ затвора вблизи стока также уменьшится, и ток канала должен возрасти. Таким образом, токо-потенциальная связь обеспечивает насыщение (постоянство) тока стока при увеличении напряжения стока выше U_СИ.нас. При этом «внутреннее» напряжение на стоке остается неизменным и равным U_пер. Термин «отсечка» канала означает не отсечку тока на стоке, а отсечку приращений тока стока, ΔI_C = 0.

При U_ЗИ2 > U_пер канал по всей длине перекрыт ОПЗ затвора, и в цепи сток-исток протекает ток обратно смещенного перехода (ток генерации в объеме канальной области) (рисунок 9.4, кривая 3).

В области достаточно больших значений U_СИ разность потенциалов между затвором и стоком достигает величины, достаточной для развития лавинного пробоя n⁺-p перехода. Этой ситуации соответствует последний участок ВАХ, на котором наблюдается резкий рост тока.

Таким образом, выходные ВАХ содержат три участка: триодный – с квазиомическими ВАХ, пентодный – с насыщением тока и участок ВАХ, ограниченный лавинным и тепловым пробоем (рисунок 9.4). Максимальное напряжение стока соответствует лавинному пробою n⁺-p перехода затвора и равно:

U_СИ.max = U_B3 – U_ЗИ . (9.3)

Э то равенство следует из последовательного включения источника питания затвора и стока.

1

|||

I_C

I_С.нас.0

U_З2 ≥ U_пер

U_пер > U_З1 > 0

2

3

||

|

U_СИ

U_BЗ

U_С.max

U_С.нас.0

I_С.нас

Рисунок 9.4 - Выходные ВАХ канального Рисунок 9.5 - Уменьшение длины канала

транзистора при увеличении напряжения стока

В реальных транзисторах возрастание тока на пентодном участке обусловлено не только лавинным размножением, но и уменьшением эффективной длины канала из-за расширения ОПЗ в канальную область при увеличении напряжения стока выше U_СИ.нас (рисунок 9.5). Этот эффект аналогичен эффекту Эрли в биполярных транзисторах. Уменьшение длины канала при сохранении внутреннего падения напряжения U_пер приводит к росту тока в пентодной области. Следует отметить, что в связи с двумерным характером распределения потенциала стока, большая часть избыточного напряжения стока блокируется боковыми областями затвора, а не канальной областью, содержащей токовый шнур с высокой плотностью динамического заряда дырок.

В транзисторах с коротким каналом возможен другой механизм насыщения тока, не связанный с пространственной отсечкой канала, а обусловленный насыщением дрейфовой скорости носителей заряда. В этом случае уменьшается глубина модуляции толщины канала, а следовательно, и крутизна передаточной характеристики. Для компенсации этого эффекта увеличивают уровень легирования канальной области, что уменьшает продольную напряженность поля и рассеяние носителей заряда. Естественно, при этом уменьшается предельное рабочее напряжение сток-исток.