8 Униполярные транзисторы

В классе полевых транзисторов различают транзисторы с управляющим pn-переходом и транзисторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП- транзисторы).

8.1 Полевой транзистор с управляющим pn- переходом (птуп)

С помощью pn-перехода, включенного в обратном направлении, возможно в объеме кристалла создать область с управляемым сечением, будем называть её каналом. Поскольку в таких структурах мощность, затрачиваемая на управление сечением канала, значительно меньше мощности, которую может отдавать в нагрузку проходящий через сечение управляемый ток, то такие структуры нашли применение в усилительных приборах, названных полевыми транзисторами с управляющим pn-переходом, или просто полевые транзисторы. Рассмотрим структуру транзистора, представленную на рис. 8.1.

Рис. 8.1 Структура полевого транзистора с управляющим pn-переходом

Он состоит из пластины полупроводника n-типа, к торцам которой присоединены сток и исток; к боковым граням пластины присоединяется затвор; между pn-переходами располагается канал ПТУП, который имеет следующие геометрические размеры: L – длина, d -толщина и b – ширина.

Основной рабочей областью в рассматриваемой структуре служит канал, электрическое напряжение к которому прикладывается с помощью двух контактов: истока и стока. Стоком называют ту область (или тот электрод), в сторону которой текут основные носители. В полевых транзисторах сток и исток можно менять местами, сохраняя работоспособность прибора.

Канал ограничен сильно легированной p-областью образующей тело затвора, потенциал которого задается с помощью внешнего контакта. При отсутствии напряжения на затворе сопротивление канала мало, говорят, что ПТУП – нормально открытый прибор.

Тогда, используя приведенные на рис. 8.1, обозначения размеров, можно записать:

,

(8.5)

На управляющий pn-переход можно подавать только обратное напряжение, и поэтому ПТУП работает в режиме обеднения канала носителями заряда.

При изменении потенциала затвора происходит изменение ширины области пространственного заряда (ОПЗ) pn-перехода и соответственно изменение сечения канала. Поскольку ОПЗ обладает высоким сопротивлением, изменение сечения канала будет приводить к изменению тока через него, именно этот эффект и используется для управления током, проходящим через канал. В отличие от биполярных транзисторов в данном случае управление осуществляется потоком основных носителей заряда, поэтому принципиально эти транзисторы могут быть более быстродействующими, чем биполярные, поскольку в них отсутствует накопление избыточного заряда и не требуется время на его создание и рассасывание при изменении входного сигнала.

В приведенной на рисунке структуре, канал обладает электронной проводимостью. Аналогичная структура может быть создана с каналом p-типа.

Рассмотрим процессы в канале ПТУП при U_си=0. При подаче обратного смещения на затвор относительно истока (U_зи) ОПЗ расширяется, соответственно, толщина проводящего канала уменьшается и сопротивление канала увеличивается.

.

(8.1)

где d₀ – исходная максимально возможная толщина канала (U_зи=0)

При некотором значении U_зи ОПЗ занимает весь канал (2∙w=d₀) – происходит так называемая отсечка канала. Из (8.1) нетрудно выразить напряжение U_отс, при котором достигается отсечка канала – напряжение отсечки (при d=0):

,

(8.2)

тогда

.

(8.3)

Рассмотрим процессы в канале ПТУП при U_си≠0. Транзистор включается таким образом, чтобы pn-переход затвора находился под обратным смещением, а полярность напряжения исток – сток выбирается такой, чтобы основные носители заряда под действием электрического поля в канале смещались к стоку. Для n-канального транзистора, показанного на рис. 8.2, на сток относительно истока должен подаваться положительный потенциал, к которому под действием поля будут дрейфовать электроны. На затвор относительно стока необходимо подавать отрицательный потенциал, чтобы затворный переход находился под обратным смещением.

Толщина канала в этом случае будет зависеть не только от U_зи, но и от U_си, которое распределяется по оси х (рис. 8.2): в точке канала с координатой падение х падение напряжения равно U(х), а напряжение на pn-переходе U_з+ U(х).

Тогда толщина канала d есть функция координаты х:

(8.4)

При увеличении U_си толщина канала будет уменьшаться прежде всего вблизи стока (рис. 8.3), а сопротивление канала расти. Когда U_си достигает граничного значения, при котором U_{си гр}= U_отс- U_зи, канал перекрывается ОПЗ.

p-канал

Рис. 8.2 Структура ПТУП при Uси гр≥ Uси

При этом вблизи стока возникает область протяженностью ΔL, сопротивление которой значительно превосходит сопротивление остального участка канала, следствием чего явится перераспределение падения напряжения вдоль канала. Практически все падение напряжения между истоком и стоком оказывается приложенным к участку ΔL.

Рис.8. Форма канала при различных значениях напряжений на затворе и стоке а) Uc мало, Uз изменяется; б) Uз=0, Uc изменяется; в) Uз=0, Uc= Ucотс ; г) Uc+ Uз> Ucотс

Дальнейшее увеличение напряжения между истоком и стоком приведет к росту величины ΔL, это приводит к увеличению сопротивления канала таким образом, что изменение тока с ростом напряжения становится незначительным, т.е. имеет место переход на участок насыщения тока стока (пологая область ВАХ).