5.1.2. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом

Это транзисторы, в которых ширина канала изменяется за счет подачи обратного смещения на управляющий затвор, выполненный в виде р-nперехода. Различают транзисторы с каналомp-типа иn-типа.

На рисунке 5.5 показано схематическое изображение полевого транзистора с каналом n-типа. Омические контакты к левой и правой граням полупроводниковой подложкиn-типа проводимости будут являться истоком и стоком, область, заключенная между обедненными областями р-n переходов - каналом, а сильно легированныер⁺области сверху и снизу - затвором полевого транзистора.

При приложении напряжения U_зик затвору ПТ, обеспечивающего обратное смещениер-nперехода (U_зи< 0), происходит расширение высокоомной областир-nперехода в полупроводниковую подложку, поскольку затвор легирован существенно сильнее, чем подложка (N_A>>N_D). При этом уменьшается поперечное сечение канала, а следовательно, увеличивается его сопротивление. Приложенное напряжение сток-истокU_сивызовет ток в цепи канала полевого транзистора. Знак напряженияU_синеобходимо выбирать таким образом, чтобы оно также вызывало обратное смещение затворногор-nперехода, то есть было бы противоположно по знаку напряжениюU_зи. Таким образом, полевой транзистор с затвором в видер-nперехода представляет собой сопротивление, величина которого регулируется внешним напряжением.

Конструктивно ПТ с затвором в виде р-nперехода обычно выполняется с использованием планарной технологии (рис. 5.6).

Для изготовления планарного транзистора с каналом n-типа используется подложка кремния дырочного типа проводимости (p-типа) с выращенной на её поверхности эпитаксиальной пленки кремния электронного типа проводимости (n-типа). После окисления поверхности кремния в защитном слое окисла SiO₂вскрываются окна, через которые методом диффузии или ионного легирования создаются области истока, стока и затвора. От этих областей методом металлизации формируются выводы, представляющие невыпрямляющие контакты металл-полупроводник. Подложкаp-Siтакже металлизируется и в некоторых конструкциях полевых транзисторов от нее формируется вывод, на который можно подавать обратное напряжениеU_пи.

Длина канала L_копределяется размерами затвора и шириной запирающего слоя (рис. 5.6) и достигает величины 5 мкм.

Технологическая ширина канала d₀≈0,7…1 мкм. Толщина проводящего каналаlопределяется из выражения

l=d₀ –l_з– l_п≈ d₀–2l_з,

где l_з и l_п– ширина запирающих слоев обратно-смещенныхp-nпереходов затвор-канал и подложка-канал, соответственно.

Ширина запирающих слоев рассчитывается по формуле (4.8):

,

где N_d– концентрация легирующей примеси вn-канале.

Работа ПТ основана на изменении электросопротивления канала за счет изменения его ширины при подаче обратных напряжений на затвор и исток.

Удельное сопротивление слоя затвора (p⁺илиn⁺ типа проводимости) намного меньше удельного сопротивления канала. Поэтому областьp-nперехода, обедненная подвижными носителями и имеющая очень большое удельное электросопротивление, расположена главным образом в канале. Этот эффект получил названиеэффекта Эрли.

При подаче запирающего напряжения U_зинаp-nпереход между затвором и каналом, переход смещается в обратном направлении. Ширина слоя, обедненного носителями заряда, увеличивается. Следовательно, уменьшается ширина канала и увеличивается его сопротивление.

Статические характеристики полевых транзисторов с управляющим p-n переходом.

Управляющая характеристика, при различных напряжениях насыщения стокаU_снприведена на рис. 5.7,а. Она аналогична управляющей характеристике МДП-транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом. Видно, что при напряжении на затвореU_з=0 ток стокаI_сравен нулю. При напряжениях на затвореU_зи, превышающихнапряжение отсечкиU_отс, ток стокаI_сначинает увеличиваться с ростом напряженияU_зи, причем тем быстрее, чем больше напряжениеU_си. Величина тока стока аппроксимируется уравнением (5.6).

Эффект модуляции ширины канала входным напряжением U_зипозволяет осуществить усиление тока в канале.

Выходные характеристики полевого транзистора с управляющимp-nпереходом представлены на рис. 5.7,б. По форме они не отличаются от аналогичных характеристик, приведенных для МДП транзисторов. Крутой участокIхарактеризуется почти линейной зависимостью тока стока вплоть до напряжения насыщения, значение которого определяется из выражения (5.4):

U_сн=(U_зи –U_отс),

где U_отс– напряжение отсечки.

При малых напряжениях U_cиток стока пропорционален напряжениюU_cи и определяется из уравнения

, (5.7)

где , Ом – сопротивление канала.

Из уравнения (5.7) найдем выходное сопротивлениеR_кполевого транзистора с управляющимp-nпереходом, работающего в линейном режиме:

. (5.8)

Уравнение вольтамперной характеристики полевого транзистора на пологом участке II (активный режим) имеет вид:

, (5.9)

где - значение тока стока приU_зи=0.

Причина появления на выходной ВАХ пологого участка, как и в предыдущих случаях, связана с сужением проводящего канала у стокового p-nперехода за счет увеличения ширины запирающего слоя вp-области обратно-смещенногоn⁺-p перехода стока.

Уравнение (5.9) для удобства расчетов обычно аппроксимируют квадратичной зависимостью, аналогичной (5.6):

,

где все обозначения приведены выше.

Теоретически, в активном режиме ток стока не зависит от напряжения U_си.Существование некоторого возрастания токаI_св режиме насыщения объясняется тем, что к области перекрытия приложена разность потенциалов ΔU=U_си–U_сн . Эта разность потенциалов создаёт продольное электрическое поле, являющееся ускоряющим для подходящих к области перекрытия канала электронов. Ускоряющее поле переносит подошедшие электроны через область перекрытия к стоку, вызывая в цепи стока ток.CростомU_сидлина канала уменьшается, а напряжение на канале остается равнымU_сн, поэтому напряженность поля в канале, а значит, и ток стока, увеличиваются. Следовательно, чем короче канал, тем больше относительное изменение тока при изменении напряженияU_си.

Участок III являетсяучастком пробоя p-nперехода стока, на который подается высокое обратное напряжениеU_си.