2. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом.

Принцип действия. Схематическое изображение строения полевого транзистора с управляющим p-n переходом дано на рис.5.2.

Рис.5.2

В пластинке кристаллического кремния с проводимостью p-типа диффузией донорной примеси через окно в слое окисла SiO₂ образована область с проводимостью n-типа. Затем в этой области диффузией акцепторной примеси образована область с проводимостью p-типа с сильным легированием. Последующими операциями в изолирующем слое окисла образованы окна для контактных электродов и с помощью металлизации созданы контакты и выводы электродов истока «И», затвора «З», стока «С» и подложки «п». Обычно подложка соединяется с истоком.

Между истоком и стоком сформирован проводящий канал n-типа. Толщина канала (обозначим ω) составляет порядка 1мкм, длина канала (L) несколько мкм, а ширина, перпендикулярная плоскости чертежа (Z) зависит от мощности транзистора. Структура полевого транзистора представлена нп рис. 5.3.

Рис.5.3.

Между каналом и затвором имеет место плоскостной p-n переход. Для нормальной работы транзистора этот переход должен оставаться запертым, поэтому напряжение на затворе относительно истока для канала n-типа должно быть отрицательным или равным нулю. Глубина обедненного слоя меняется в соответствии с общим выражением (U<0).

Чем больше обратное напряжение, тем глубже обедненный слой и тем соответственно меньше толщина канала ω. Таким образом, меняя обратное напряжение на затворе, можно менять поперечное сечение канала. При наличии напряжения на стоке будет меняться ток стока, т.е. выходной ток транзистора.

Усиление мощности обеспечивается малой величиной входного тока. У полевых транзисторов входным током является обратный ток p-n перехода затвора. Для кремниевых p-n переходов небольшой площади обратный ток составляет до 10^-11А и менее. Определим зависимость толщины и сопротивления канала от управляющего напряжения на затворе при нулевом напряжении на стоке. Толщина канала согласно рис. 5.3 можно записать следующим образом:

(5.1)

где - расстояние от дна n-слоя до металлургической границы перехода. Пренебрегая равновесной высотой потенциального барьера Δφ₀ в выражении для глубины обедненного слоя , получаем зависимость толщины канала от напряжения на затворе:

(5.2)

Под U_зи здесь понимается модуль напряжения на затворе.

Из условия ω=0 можно найти напряжение отсечки, при котором обедненный слой перекрывает весь канал, и ток в канале прекращается:

(5.3)

Как видим, толщина рабочего слоя и концентрация примеси N в канале должны быть достаточно малы. В противном случае напряжение отсечки будет настолько большим, что полное управление током (начиная с нулевого значения) окажется практически невозможным.

Используя выражение для U_зиотс (5.3), толщину канала можно записать в следующей форме:

(5.4)

Такая толщина сохраняется по всей длине канала. Сопротивление канала в этом случае равно

(5.5а)

где z - ширина канала; ρ – удельное сопротивление n – слоя.

При U_зи =0 получается минимальное значение

(5.5б)

Например, при ρ=1Ом∙См, =2мкм и U_зи=0, R₀=0,5кОм. При U_зи/U_зиотс=0.5 сопротивление R₀ возрастает до 1,8кОм.

Статические характеристики. В рабочем режиме, когда U_с≠0, канал не является эквипотенциальным слоем; в разных точках потенциал различен: он меняется от U_x=0 около истока до U_х=+U_с около стока. Поэтому обратное напряжение на p-n переходе U_обр=U_x+U_зи будет увеличиваться в направлении от истока к стоку (рис.5.4.а). В наиболее узком месте (около стока) напряжение на переходе равно U_з+ U_с. С ростом U_с это напряжение, в конце концов, делается равным U_зиотс, толщина канала вблизи стока станет равной нулю, т.е. образуется «горловина» канала (рис.5.4б). В отличие от случая U_зи= U_зиотс это, разумеется , не приводит к отсечке тока, так как само «смыкание» является увеличением тока.

Рис.5.4

Вместо отсечки тока происходит отсечка его приращения, т. е. резкое возрастание дифференциального сопротивления канала. При этом на кривой, которая называется стоковой характеристикой, начиная с некоторой точки H, получается практически горизонтальный участок (рис.5.5). Такой режим можно назвать насыщением, а напряжение U_сн, при котором он наступает, - напряжением насыщения. Эта величина получается из условия U_зиотс=U_сн+U_зи и равно

U_сн=U_зиотс-U_зи. (5.6)

а) б)

Рис.5.5.

Поэтому напряжение U_сн уменьшается с ростом U_зи.

В режиме насыщения, когда U_с> U_сн , потенциал «горловины» сохраняет значение U_сн (в противном случае канал должен был бы еще больше сужаться, что невозможно), но «горловина» сдвигается относительно стока (рис.5.4в). В режиме насыщения происходит модуляция длины канала по аналогии с эффектом Эрли в биполярных транзисторах.

В соответствии с изложенным принципом работы полевого транзистора его стоковые характеристики имеют вид, показанный на рис.5.5а.

Получим аналитическое выражение ВАХ полевого транзистора на крутом участке (линейная область). Для этого следует учесть, что сопротивление канала меняется вдоль оси х, поскольку меняется толщина канала ω. Функцию ω(х) получим, заменяя U_зи на U_зи+ U_х в формуле (5.4). Тогда падение напряжения на элементарном участке dx

Ток остается неизменным в любом сечении. Поэтому, разделяя переменные и интегрируя обе части соответственно в пределах от0 до U_с и от 0 до L, можно представить искомую функцию в следующем виде:

(5.7)

Здесь через R_k0 обозначено минимальное дифференциальное сопротивление канала (5.5б).

Ток стока в области насыщения получается подстановкой U_сн из (5.6) в (5.7):

(5.8)

Выражение (5.8) хорошо аппроксимируется квадратичной зависимостью:

(5.9)

где - ток насыщения стока при U_зи=0.

В справочной литературе обычно указываются пределы изменения тока насыщения стока и пределы изменения напряжения отсечки.

Семейство стоко-затворных ВАХ характеристик представлено на рис.5.5б.

Важными особенностями ВАХ на рис. 5.5 состоят в следующем:

- ток протекает при нулевом напряжении на затворе;

- напряжение на затворе может иметь только одну полярность, в данном случае отрицательную. В противном случае напряжение на p-n переходе будет прямым, начнется инжекция неосновных носителей и транзистор перестанет быть униполярным прибором.

Малосигнальные параметры. В усилительной технике используются пологие участки ВАХ – область насыщения. Этой области свойственны наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления.

Малосигнальными параметрами являются: