4. Полевые (униполярные) транзисторы

Униполярными называются транзисторы, в которых ток переносится только одним типом носителей: или электронами, или дырками. Управление током в униполярных транзисторах производится изменением проводимости канала, по которому протекает ток под воздействием электрического поля. Вследствие этого их также называют полевыми (ПТ).

По способу создания канала различают:

– полевые транзисторы с р-n-переходом;

– полевые транзисторы с изолированным затвором:

а) со встроенным каналом;

б) с индуцированным каналом.

4.1. Полевые транзисторы с р-n-переходом

Структура ПТ с n-каналом приведена на рис. 4.1, а. При изготовлении транзистора на подложке методом наращивания получают слой n-полупроводника с малой концентрацией примесей, который используется в качестве канала. На поверхности этого слоя получают слой полупроводника р-типа с высоким содержанием примесей. Между ними возникает р-n-переход.

С помощью невыпрямляющих контактов металл-полупроводник делаются выводы затвора (З) от области полупроводника р-типа и выводы истока (И) и стока (С) на концах канала. Электрод, от которого двигаются носители заряда (в ПТ с n-каналом – электроны), называют истоком, а электрод, к которому они движутся, стоком.

Подобную конструкцию имеют и транзисторы с каналом р-типа. Условные обозначения транзисторов с каналами n- и р-типов приведены на рис. 4.1, б, в. Управляющее (входное) напряжение подается на затвор относительно истока Uзи. Оно для р-n-перехода является обратным (запирающим)

Управляющие свойства транзистора объясняются тем, что при изменении напряжения Uзи изменяется ширина р-n-перехода и, как следствие, сечение канала и его проводимость. Так как n-слой имеет меньшую концентрацию примесей, чем р-слой, то изменение ширины р-n-перехода происходит в основном за счет изменения ширины канала.

Рис. 4.1. Полевой транзистор с p-n-переходом:

а – упрощенная структура; б – УГО транзистора с n-каналом;

в – УГО транзистора с p-каналом

Особенностью полевого транзистора является то, что на проводимость канала оказывает влияние как управляющее напряжение на затворе Uзи, так и напряжение на стоке Uси. Если напряжение приложено только к входной цепи транзистора (рис. 4.2, а), то увеличение Uзи приводит к равномерному сужению канала по всей его длине (4.2, б). При этом ток стока Iс = 0, поскольку напряжение на канале Uси = 0. При некотором напряжении на затворе канал полностью перекрывается (рис. 4.2, в) и не может пропускать электрический ток. Это напряжение называется напряжением запирания Uзо.

Если изменяется напряжение только на стоке, то при Uси > 0 через канал протекает ток Ic, в результате чего по всей длине канала создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока. Это напряжение является запирающим для р-n-перехода и приводит к постепенному сужению канала по его длине. При напряжении Uси = Uзо происходит такое сужение канала, при котором канал смыкается с подложкой (рис. 4.2, д) и сопротивление канала становится достаточно большим. При дальнейшем увеличении напряжения Uси точка с потенциалом Uзо будет смещаться в глубину канала и его сопротивление резко увеличиваться (рис. 4.2, е).

Для полевых транзисторов представляют интерес два семейства вольтамперных характеристик: стоковые и стокозатворные.

Рис. 4.2. Зависимость конфигурации канала ПТ от внешних напряжений:

а, б, в – при изменении напряжения на затворе (Uси = 0); г, д, е – при изменении напряжения на стоке (Uзи = 0)

Стоковые (выходные) характеристики (рис. 4.3, а) отражают зависимость тока стока от напряжения сток-исток при фиксированном напряжении на затворе и представляются в виде семейства кривых. На каждой из этих кривых можно выделить три характерные области:

І – начальная область;

ІІ – рабочая область и

ІІІ – пробой р-n-перехода.

В начальной области влияние напряжения Uси на сопротивление канала незначительно, сопротивление канала мало и ток Iс быстро нарастает (рис. 4.3 – линейный участок 0 – а). По мере увеличения напряжения Uси (рис. 4.3 – участок а – б) сужение токо-проводящего канала оказывает все более существенное влияние на его проводимость; точка «б» соответствует напряжению Uси = Uз0, при котором происходит перекрытие р-n-перехода. Наступает рабочий режим ІІ, который характеризуется тем, что с увеличением Uси ток Iс меняется незначительно. Это происходит потому, что при большом напряжении Uси канал стягивается в узкую горловину. Наступает своеобразное динамическое равновесие, при котором увеличение Uси вызывает рост тока Iс, а рост тока Iс – вызывает дальнейшее сужение канала и соответственно уменьшение тока Iс. Этот режим также называется режимом насыщения канала.

Рис. 4.3. Вольт-амперные характеристики ПТ с р-n-переходом:

а – выходные (стоковые); б – стокозатворные

Резкое увеличение тока на участке ІІІ характеризуется лавинным пробоем области р-n-переходов вблизи стока по цепи сток – затвор. Напряжение пробоя соответствует точке «в».

Приложение к затвору запирающего напряжения вызывает предварительное сужение канала и характеристика смещается вниз, в сторону меньших токов. При наличии запирающего напряжения на затворе напряжение пробоя уменьшается. Это связано с тем, что влияние напряжений Uзи и Uси на ширину канала у стокового вывода практически одинаково и напряжение пробоя равно их сумме.

Поскольку управление выходным током полевых транзисторов производится напряжением входной цепи, то для них представляет интерес стокозатворная (передаточная) характеристика, которая показывает зависимость тока стока Iс от напряжения затвор–исток: Iс = f (Uзи) при Uси = const. Примерный вид этой характеристики показан на рис. 4.3, б. Стокозатворная характеристика связана с выходными характеристиками транзистора и может быть построена по ним.